Sự tăng vọt và đột biến điện áp nhất thời có mức độ tác động khác nhau lên các mạch điện tử, từ những lỗi nhỏ khó chịu đến những hậu quả nghiêm trọng gây hư hỏng các bộ phận của mạch. Nguyên nhân của những quá độ này rất đa dạng, bao gồm sét, tĩnh điện và phóng điện cảm ứng (Hình 1).
Hình 1. Sự chuyển tiếp có thể do sét, tĩnh điện hoặc phóng điện cảm ứng, v.v., có thể gây ra hư hỏng nghiêm trọng cho thiết bị điện tử không được bảo vệ. Nguồn hình ảnh: LitInc.)
Các thiết bị chuyển tiếp như thế này có thể tạo ra các xung có điện áp cực đại từ hàng trăm vôn đến hàng chục nghìn vôn và dòng điện lên tới kiloampe, kéo dài từ hàng trăm nano giây đến mili giây.
Việc thu nhỏ IC và bộ xử lý cũng như giảm điện áp cung cấp khiến chúng nhạy cảm hơn với hiện tượng chuyển tiếp điện. Điều này đặc biệt đúng đối với những phương tiện được điều khiển bởi nhiều hệ thống điện tử, bao gồm động cơ, hệ thống lái, phanh, điều hòa không khí và giải trí.
Để bảo vệ các mạch nhạy cảm, nhiều chiến lược thiết kế đã được phát triển, bao gồm hệ thống dây điện được che chắn, bộ lọc, bộ triệt tiêu hồ quang và thiết bị kẹp. Che chắn và lọc là thụ động, trong khi ngăn chặn hồ quang và bảo vệ kẹp đang hoạt động. Các thiết bị triệt tiêu hồ quang như khe hở tia lửa, ống phóng khí và thyristor chuyển dòng điện nhất thời xuống đất để bảo vệ mạch điện. Khi thiết bị triệt tiêu hồ quang hoạt động, thiết bị được bảo vệ không hoạt động, nhưng khi hiện tượng nhất thời biến mất, thiết bị có thể hoạt động bình thường.
Các thiết bị kẹp bao gồm biến trở oxit kim loại (MOV), điốt zener và điốt chống tuyết lở ức chế điện áp nhất thời (TVS) duy trì điện áp không đổi trên thiết bị được bảo vệ bằng trở kháng khác nhau. Những công nghệ này có thể được sử dụng riêng biệt hoặc đồng thời. Diode TVS được sử dụng rộng rãi làm thiết bị kẹp do phản ứng nhanh và tiêu tán công suất lớn.
Diode ức chế điện áp thoáng qua
Diode TVS là một diode tuyết lở được sử dụng làm thiết bị kẹp. Khi điện áp đặt vào vượt quá điện áp đánh thủng do tuyết lở, nó sẽ tắt dòng điện quá mức và giữ hoặc kẹp điện áp ở một điện thế không đổi. Khi điện áp đặt vào thấp hơn giá trị đánh thủng, nó sẽ tự động đặt lại.
Điốt TVS có thể được sử dụng làm thiết bị một chiều để ngăn chặn sự quá độ của các thiết bị đơn cực hoặc hai chiều nhằm ngăn chặn sự quá độ của một trong hai cực (Hình 2). Các thiết bị hai chiều có thể đối xứng, được kẹp với bất kỳ điện áp phân cực nào có cùng biên độ hoặc không đối xứng, được kẹp ở các mức điện áp khác nhau tùy theo cực tính của quá độ.
Hình 2: Đặc điểm đánh thủng dòng điện-điện áp của ba thiết bị TVS và các ký hiệu sơ đồ của chúng. Nguồn hình ảnh: LitInc.)
Nguyên lý hoạt động của diode TVS một chiều tương tự như diode đơn hướng. Nó bật khi áp dụng phân cực thuận và không bật khi áp dụng phân cực ngược cho đến khi vượt quá điện áp đánh thủng (VBR) của diode. Khi điện áp đặt vào vượt quá VBR, diode sẽ được bật và điện áp ở cả hai đầu được duy trì ở mức điện áp kẹp (VC). Công suất tối đa mà diode này có thể tiêu tán là dòng xung cực đại (IPP) x VC.
Điốt TVS hai chiều tương đương với hai điốt nối tiếp nhau. Khi điện áp đánh thủng (VBR) không bị vượt quá theo một trong hai hướng, chỉ có một dòng điện rò rỉ ngược (IR) nhỏ chạy qua. Hoạt động này là đối xứng vì biên độ điện áp đánh thủng là như nhau đối với cả hai điều kiện phân cực.
Điốt TVS không đối xứng hoạt động tương tự như các thiết bị hai chiều, nhưng điện áp đánh thủng (VBR1 và VBR2) thì khác.
Điốt TVS không đối xứng
Bạn có thể muốn biết tại sao cần phải có điốt TVS không đối xứng. Các thành phần này được thiết kế để bảo vệ bộ điều khiển cổng trên MOSFET silicon cacbua (SiC). Do tốc độ chuyển đổi nhanh của SiC, các ổ đĩa này dễ bị hư hỏng do quá điện áp. Chúng ta hãy xem SiC MOSFET hoặc biến tần kéo để sạc trên bo mạch (Hình 3).