Những điều cần biết về GTO
1. GTO là gì?
2. Ký hiệu GTO trong mạch điện
3. Nguyên lý hoạt động của GTO
4. Phân loại GTO
5. Đặc tính V-I của GTO
6. Ưu nhược điểm của GTO
7. Ứng dụng GTO
1. GTO là gì?
Thuật ngữ GTO là viết tắt của “Gate Turn off Thyristor”. Nó là một thiết bị chuyển mạch bán dẫn lưỡng cực bao gồm ba cực là cực dương, cực âm và cổng giống như một thyristor thông thường. Nó có khả năng tắt cổng. Thiết bị này được sử dụng để BẬT và TẮT nguồn cung cấp dòng điện chính thông qua mạch điều khiển cổng.
GTO là một thiết bị chuyển mạch một chiều được điều khiển hoàn toàn dựa trên chất bán dẫn (thyristor) có 3 cực Cổng, Cathode và Anode. Nó có thể được BẬT/TẮT bằng thiết bị đầu cuối cổng.
2. Ký hiệu GTO trong mạch điện
Để kích hoạt GTO ở chế độ dẫn điện, cần có một dòng cổng dương nhỏ cũng như thông qua một xung âm trên cực cổng; và nó có khả năng bị tắt. Trong hình ảnh sau đây, nó bao gồm các mũi tên kép trên đó để phân biệt thyristor với thyristor thông thường. Những mũi tên này chủ yếu xác định dòng điện theo hai chiều trong suốt thiết bị đầu cuối cổng.
Để hủy kích hoạt GTO, nó sử dụng dòng cổng cao. Ngoài ra, ở trạng thái dẫn, do đó thyristor hoạt động giống như một thyristor bình thường bao gồm cả sự sụt giảm điện áp ở điều kiện BẬT nhỏ. Tốc độ chuyển mạch của thyristor ngắt cổng này nhanh hơn so với thyristor bình thường và nó cũng có dòng điện và điện áp định mức cao so với các bóng bán dẫn công suất.
2. Ký hiệu GTO trong mạch điện
Để kích hoạt GTO ở chế độ dẫn điện, cần có một dòng cổng dương nhỏ cũng như thông qua một xung âm trên cực cổng; và nó có khả năng bị tắt. Trong hình ảnh sau đây, nó bao gồm các mũi tên kép trên đó để phân biệt thyristor với thyristor thông thường. Những mũi tên này chủ yếu xác định dòng điện theo hai chiều trong suốt thiết bị đầu cuối cổng.
Để hủy kích hoạt GTO, nó sử dụng dòng cổng cao. Ngoài ra, ở trạng thái dẫn, do đó thyristor hoạt động giống như một thyristor bình thường bao gồm cả sự sụt giảm điện áp ở điều kiện BẬT nhỏ. Tốc độ chuyển mạch của thyristor ngắt cổng này nhanh hơn so với thyristor bình thường và nó cũng có dòng điện và điện áp định mức cao so với các bóng bán dẫn công suất.
3. Nguyên lý hoạt động của GTO
• Mở GTO:
- GTO có thao tác tắt tương tự như một thyristor thông thường. Nó có thể được bật bằng hai phương pháp, tức là tăng điện áp chuyển tiếp trên điện áp ngắt, áp dụng dòng cổng dương.
- Khi chưa có dòng điều khiển, nếu anot có điện áp dương hơn so với catot thì toàn bộ điện áp sẽ rơi trên tiếp giáp J2 ở giữa giống như trong cấu trúc của thyristor. Tuy nhiên nếu katot có điện áp dương hơn so với anot thì tiếp giáp p+ - n ở sát anot sẽ bị đánh thủng ngay ở điện áp rất thấp, nghĩa là GTO không thể chịu được điện áp ngược
- GTO được điều khiển mở bằng cách cho dòng vào cực điều khiển, giống như ở thyristor thường. Tuy nhiên do cấu trúc bán dẫn khác nhau nên dòng duy trì ở GTO cao hơn ở thyristor thường, do đó dòng điều khiển phải có biên độ lớn hơn và thời gian dài hơn để dòng qua GTO kịp vượt qua giá trị dòng duy trì. Giống như ở thyristor thường, sau khi GTO đã mở thì dòng điều khiển không còn tác dụng. Như vậy có thể mở GTO bằng các xung ngắn, với công suất không đáng kể.
• Khóa GTO
- Để khóa GTO phải có một xung dòng đi ra khỏi cực điều khiển. Khi van đang dẫn dòng, tiếp giáp J2 chứa một số lượng lớn các điện tích sinh ra do tác dụng của hiệu ứng bắn phá “vũ bão” tạo nên vùng dẫn điện, cho phép các điện tử di chuyển từ catot (vùng n+ đến anot (vùng p+) tạo nên dòng anot. Bằng cách lấy đi một số lượng lớn các điện tích qua cực điều khiển, vùng dẫn điện sẽ bị co hẹp và bị ép về phía vùng n+ của anot và vùng n+ của catot. Kết quả là dòng anot sẽ bị giảm cho đến khi bằng 0. Dòng điều khiển được duy trì một thời gian ngắn để GTO phục hồi tính chất khóa.
• Mở GTO:
- GTO có thao tác tắt tương tự như một thyristor thông thường. Nó có thể được bật bằng hai phương pháp, tức là tăng điện áp chuyển tiếp trên điện áp ngắt, áp dụng dòng cổng dương.
- Khi chưa có dòng điều khiển, nếu anot có điện áp dương hơn so với catot thì toàn bộ điện áp sẽ rơi trên tiếp giáp J2 ở giữa giống như trong cấu trúc của thyristor. Tuy nhiên nếu katot có điện áp dương hơn so với anot thì tiếp giáp p+ - n ở sát anot sẽ bị đánh thủng ngay ở điện áp rất thấp, nghĩa là GTO không thể chịu được điện áp ngược
- GTO được điều khiển mở bằng cách cho dòng vào cực điều khiển, giống như ở thyristor thường. Tuy nhiên do cấu trúc bán dẫn khác nhau nên dòng duy trì ở GTO cao hơn ở thyristor thường, do đó dòng điều khiển phải có biên độ lớn hơn và thời gian dài hơn để dòng qua GTO kịp vượt qua giá trị dòng duy trì. Giống như ở thyristor thường, sau khi GTO đã mở thì dòng điều khiển không còn tác dụng. Như vậy có thể mở GTO bằng các xung ngắn, với công suất không đáng kể.
• Khóa GTO
- Để khóa GTO phải có một xung dòng đi ra khỏi cực điều khiển. Khi van đang dẫn dòng, tiếp giáp J2 chứa một số lượng lớn các điện tích sinh ra do tác dụng của hiệu ứng bắn phá “vũ bão” tạo nên vùng dẫn điện, cho phép các điện tử di chuyển từ catot (vùng n+ đến anot (vùng p+) tạo nên dòng anot. Bằng cách lấy đi một số lượng lớn các điện tích qua cực điều khiển, vùng dẫn điện sẽ bị co hẹp và bị ép về phía vùng n+ của anot và vùng n+ của catot. Kết quả là dòng anot sẽ bị giảm cho đến khi bằng 0. Dòng điều khiển được duy trì một thời gian ngắn để GTO phục hồi tính chất khóa.
4. Phân loại GTO
Có 2 loại GTO dựa trên cấu trúc của chúng.
• GTO bất đối xứng (Asymmetric GTO)
GTO bất đối xứng là loại GTO phổ biến nhất còn được gọi là “GTO anode ngắn”. Chúng có khả năng chặn điện áp không đối xứng, tức là điện áp chặn thuận không bằng điện áp chặn ngược. Điện áp chặn ngược rất nhỏ so với điện áp chặn thuận. Chúng thường được sử dụng với một diode chống song song.
Có 2 loại GTO dựa trên cấu trúc của chúng.
• GTO bất đối xứng (Asymmetric GTO)
GTO bất đối xứng là loại GTO phổ biến nhất còn được gọi là “GTO anode ngắn”. Chúng có khả năng chặn điện áp không đối xứng, tức là điện áp chặn thuận không bằng điện áp chặn ngược. Điện áp chặn ngược rất nhỏ so với điện áp chặn thuận. Chúng thường được sử dụng với một diode chống song song.
• GTO đối xứng (Symmetric GTO)
GTO đối xứng có khả năng chặn điện áp đối xứng. Điện áp chặn ngược cao bằng điện áp thuận. Nó không có cấu trúc “cực dương rút ngắn” thay vào đó, cực dương được làm từ vùng P+ thuần túy.
GTO đối xứng có khả năng chặn điện áp đối xứng. Điện áp chặn ngược cao bằng điện áp thuận. Nó không có cấu trúc “cực dương rút ngắn” thay vào đó, cực dương được làm từ vùng P+ thuần túy.
5. Đặc tính V-I của GTO
Đặc tính V-I của thyristor Tắt Cổng (GTO) tương tự như đặc tính của thyristor thông thường (CT). Tuy nhiên, dòng chốt của GTO nhiều hơn nhiều lần so với dòng chốt của CT. Dòng điện chốt ở mức 2 A trong khi dòng điện tương tự là khoảng 100 mA đến 200 mA đối với một thyristor thông thường. Các đặc tính V-I của GTO được thể hiện trong hình bên dưới:
Đặc tính V-I của thyristor Tắt Cổng (GTO) tương tự như đặc tính của thyristor thông thường (CT). Tuy nhiên, dòng chốt của GTO nhiều hơn nhiều lần so với dòng chốt của CT. Dòng điện chốt ở mức 2 A trong khi dòng điện tương tự là khoảng 100 mA đến 200 mA đối với một thyristor thông thường. Các đặc tính V-I của GTO được thể hiện trong hình bên dưới:
Ở chế độ đầu tiên như chặn chuyển tiếp, điện áp được đặt trên thyristor mà không áp dụng tín hiệu cổng +ve. Do đó, nó không tiến hành trong chế độ này. Tuy nhiên, có một dòng rò nhỏ cao hơn rất nhiều so với dòng rò của thyristor. Trên thực tế, ở chế độ này, cổng tắt thyristor hoạt động giống như một bóng bán dẫn có điện áp cao & mức tăng thấp, điều đó có nghĩa là dòng anode thấp. Trong chế độ này, GTO chỉ đơn giản là chặn điện áp chuyển tiếp định mức khi cực cổng được phân cực âm so với cực âm.
Khi tín hiệu cổng dương được cấp với biên độ thích hợp cho GTO, thì nó sẽ chuyển sang chế độ dẫn chuyển tiếp. Tương tự, bất cứ khi nào điện áp ngược đến thyristor này, thì nó sẽ chặn điện áp ngược đến một giới hạn nhưng ngay khi điện áp ngược đạt đến giá trị tới hạn, được gọi là quá điện áp ngắt ngược, GTO bắt đầu dẫn theo hướng ngược lại.
Chế độ hoạt động này không phá hủy thiết bị nếu cổng bị sai lệch âm và thời gian của hoạt động này nhỏ. Trong điều kiện phân cực ngược, khả năng chặn chủ yếu phụ thuộc vào loại GTO. Loại đối xứng bao gồm khả năng chặn ngược cao trong khi loại không đối xứng bao gồm khả năng chặn ngược nhỏ trong khoảng từ 20-30 V.
6. Ưu nhược điểm của GTO
Ưu điểm:
- GTO có các đặc tính chuyển đổi nổi bật
- Cấu hình của mạch GTO có trọng lượng và kích thước nhỏ hơn đơn vị mạch thyristor.
- Không cần mạch chuyển mạch, do đó có thể giảm chi phí, trọng lượng và kích thước.
- Tốc độ chuyển đổi của GTO cao so với SCR.
- Ít bảo trì hơn
- Công suất đột biến hiện tại tương tự như SCR.
- Dung lượng điện áp chặn của GTO cao
- xếp hạng di/dt cao hơn khi BẬT
- Hiệu quả cao
Nhược điểm:
- Tổn thất liên quan, cũng như sụt áp ở trạng thái BẬT, nhiều hơn
- Cấu trúc của GTO là nhiều lớp nên giá trị dòng kích hoạt cổng cao hơn so với thyristor thông thường.
- Tổn thất cao của mạch điều khiển cổng
- Sự sụt giảm điện áp của trạng thái BẬT qua cổng tắt thyristor là nhiều hơn.
- Độ lớn của dòng điện chốt và giữ cao so với SCR
- Giá trị hiện tại chốt là 2A trong khi đó, đối với SCR, nó nằm trong khoảng từ 100 mA đến 500 mA.
- So với SCR, dòng kích hoạt của GTO cao
Khi tín hiệu cổng dương được cấp với biên độ thích hợp cho GTO, thì nó sẽ chuyển sang chế độ dẫn chuyển tiếp. Tương tự, bất cứ khi nào điện áp ngược đến thyristor này, thì nó sẽ chặn điện áp ngược đến một giới hạn nhưng ngay khi điện áp ngược đạt đến giá trị tới hạn, được gọi là quá điện áp ngắt ngược, GTO bắt đầu dẫn theo hướng ngược lại.
Chế độ hoạt động này không phá hủy thiết bị nếu cổng bị sai lệch âm và thời gian của hoạt động này nhỏ. Trong điều kiện phân cực ngược, khả năng chặn chủ yếu phụ thuộc vào loại GTO. Loại đối xứng bao gồm khả năng chặn ngược cao trong khi loại không đối xứng bao gồm khả năng chặn ngược nhỏ trong khoảng từ 20-30 V.
6. Ưu nhược điểm của GTO
Ưu điểm:
- GTO có các đặc tính chuyển đổi nổi bật
- Cấu hình của mạch GTO có trọng lượng và kích thước nhỏ hơn đơn vị mạch thyristor.
- Không cần mạch chuyển mạch, do đó có thể giảm chi phí, trọng lượng và kích thước.
- Tốc độ chuyển đổi của GTO cao so với SCR.
- Ít bảo trì hơn
- Công suất đột biến hiện tại tương tự như SCR.
- Dung lượng điện áp chặn của GTO cao
- xếp hạng di/dt cao hơn khi BẬT
- Hiệu quả cao
Nhược điểm:
- Tổn thất liên quan, cũng như sụt áp ở trạng thái BẬT, nhiều hơn
- Cấu trúc của GTO là nhiều lớp nên giá trị dòng kích hoạt cổng cao hơn so với thyristor thông thường.
- Tổn thất cao của mạch điều khiển cổng
- Sự sụt giảm điện áp của trạng thái BẬT qua cổng tắt thyristor là nhiều hơn.
- Độ lớn của dòng điện chốt và giữ cao so với SCR
- Giá trị hiện tại chốt là 2A trong khi đó, đối với SCR, nó nằm trong khoảng từ 100 mA đến 500 mA.
- So với SCR, dòng kích hoạt của GTO cao
7. Ứng dụng GTO
- GTO được sử dụng trong nhiều ứng dụng vì có nhiều lợi ích so với các thyristor khác như đặc tính chuyển mạch vượt trội, ít bảo trì hơn và không yêu cầu mạch chuyển mạch, v.v. Các ứng dụng của thyristor ngắt cổng bao gồm những ứng dụng sau.
- Trong máy cắt cũng như biến tần, Nó được sử dụng làm thiết bị điều khiển chính.
- ổ đĩa AC
- ổ đĩa DC
- Bộ ngắt mạch DC
- Bộ cắt DC nếu không thì ổ đĩa DC
- Nhiệt cảm ứng
- Được sử dụng trong các ứng dụng lực kéo vì trọng lượng ít hơn
- Ứng dụng năng lượng thấp
- AC ổn định nguồn điện
- Nó được sử dụng trong các bộ biến tần, SVC (bộ bù VAR tĩnh)
- Được sử dụng trong các hệ thống truyền động như máy cán, máy công cụ & người máy.
- GTO được sử dụng trong nhiều ứng dụng vì có nhiều lợi ích so với các thyristor khác như đặc tính chuyển mạch vượt trội, ít bảo trì hơn và không yêu cầu mạch chuyển mạch, v.v. Các ứng dụng của thyristor ngắt cổng bao gồm những ứng dụng sau.
- Trong máy cắt cũng như biến tần, Nó được sử dụng làm thiết bị điều khiển chính.
- ổ đĩa AC
- ổ đĩa DC
- Bộ ngắt mạch DC
- Bộ cắt DC nếu không thì ổ đĩa DC
- Nhiệt cảm ứng
- Được sử dụng trong các ứng dụng lực kéo vì trọng lượng ít hơn
- Ứng dụng năng lượng thấp
- AC ổn định nguồn điện
- Nó được sử dụng trong các bộ biến tần, SVC (bộ bù VAR tĩnh)
- Được sử dụng trong các hệ thống truyền động như máy cán, máy công cụ & người máy.
