1958 年,从美国通用电气公司研制成功第一个工业用可控硅开始,电能的变换和控制从旋转的变流机组、静止的离子变流器进入以电力半导体器件组成的变流器时代。可控硅分单向可控硅双向可控硅。单向可控硅一般用于彩电的过流、过压保护电路。双向可控硅一般用于交流调节电路,如调光台灯及全自动洗衣机中的交流电源控制。

 

双向可控硅是在普通可控硅的基础上发展而成的,它不仅能代替两只反极性并联的可控硅,而且仅需一个触发电路,是目前比较理想的交流开关器件,一直为家电行业中主要的功率控 制器件。近几年,随着半导体技术的发展,大功率双向可控硅不断涌现,并广泛应用在变流、 变频领域,可控硅应用技术日益成熟。本文主要探讨广泛应用于家电行业的双向可控硅的设计及应用。

 

双向可控硅特点

双向可控硅可被认为是一对反并联连接的普通可控硅的集成,工作原理与普通单向可控硅相同。图 1 为双向可控硅的基本结构及其等效电路,它有两个主电极 T1 和 T2,一个门极 G,门极使器件在主电极的正反两个方向均可触发导通,所以双向可控硅在第 1 和第 3 象限有 对称的伏安特性。双向可控硅门极加正、负触发脉冲都能使管子触发导通,因此有四种触发方式。

 

图 1 双向可控硅结构及等效电路

 

双向可控硅应用

为正常使用双向可控硅,需定量掌握其主要参数,对双向可控硅进行适当选用并采取相应措施以达到各参数的要求。

 

耐压级别的选择:通常把 VDRM(断态重复峰值电压)和 VRRM(反向重复峰值电压)中较小的值标作该器件的额定电压。选用时,额定电压应为正常工作峰值电压的 2~3 倍,作 为允许的操作过电压裕量。

 

电流的确定:由于双向可控硅通常用在交流电路中,因此不用平均值而用有效值来表示它的额定电流值。由于可控硅的过载能力比一般电磁器件小,因而一般家电中选用可控硅的电流值为实际工作电流值的 2~3 倍。同时,可控硅承受断态重复峰值电压 VDRM 和反向重复峰 值电压 VRRM 时的峰值电流应小于器件规定的 IDRM 和 IRRM。

 

通态(峰值)电压 VTM 的选择:它是可控硅通以规定倍数额定电流时的瞬态峰值压降。为减少可控硅的热损耗,应尽可能选择 VTM 小的可控硅。

 

维持电流:IH 是维持可控硅维持通态所必需的最小主电流,它与结温有关,结温越高,则 IH 越小。

 

电压上升率的抵制:dv/dt 指的是在关断状态下电压的上升斜率,这是防止误触发的一个关键参数。此值超限将可能导致可控硅出现误导通的现象。由于可控硅的制造工艺决定了 A2 与 G 之间会存在寄生电容,如图 2 所示。我们知道 dv/dt 的变化在电容的两端会出现等效电流,这个电流就会成为 Ig,也就是出现了触发电流,导致误触发。

 

图 2 双向可控硅等效示意图

 

切换电压上升率 dVCOM/dt。驱动高电抗性的负载时,负载电压和电流的波形间通常发生实质性的相位移动。当负载电流过零时双向可控硅发生切换,由于相位差电压并不为零。这时双向可控硅须立即阻断该电压。产生的切换电压上升率(dVCOM/dt)若超过允许值,会迫使双向可控硅回复导通状态,因为载流子没有充分的时间自结上撤出,如图 3 所示。

 

图 3 切换时的电流及电压变化

 

高 dVCOM/dt 承受能力受二个条件影响:

dICOM/dt—切换时负载电流下降率。dICOM/dt 高,则 dVCOM/dt 承受能力下降。结面温度 Tj 越高,dVCOM/dt 承受能力越下降。假如双向可控硅的 dVCOM/dt 的允许值有可能被超过,为避免发生假触发,可在 T1 和 T2 间装置 RC 缓冲电路,以此限制电压上升率。通常选用 47~100Ω 的能承受浪涌电流的碳膜电阻,0.01μF~0.47μF 的电容,晶闸管关断过程中主电流过零反向后迅速由反向峰值恢复至零电流,此过程可在元件两端产生达正常工作峰值电压 5-6 倍的尖峰电压。一般建议在尽可能靠近元件本身的地方接上阻容吸收回路。

 

断开状态下电压变化率 dvD/dt。若截止的双向可控硅上(或门极灵敏的闸流管)作用很高的电压变化率,尽管不超过 VDRM,电容性内部电流能产生足够大的门极电流,并触发器件导通。门极灵敏度随温度而升高。假如发生这样的问题,T1 和 T2 间(或阳极和阴极间) 应该加上 RC 缓冲电路,以限制 dvD/dt。

 

电流上升率的抑制:电流上升率的影响主要表现在以下两个方面:

 

①dIT/dt(导通时的电流上升率)—当双向可控硅或闸流管在门极电流触发下导通,门极临近处立即导通,然后迅速扩展至整个有效面积。这迟后的时间有一个极限,即负载电流上升率的许可值。过高的 dIT/dt 可能导致局部烧毁,并使 T1-T2 短路。假如过程中限制 dIT/dt 到一较低的值,双向可控硅可能可以幸存。因此,假如双向可控硅的 VDRM 在严重的、异常的电源瞬间过程中有可能被超出或导通时的 dIT/dt 有可能被超出,可在负载上串联一个几 μH 的不饱和(空心)电感。

 

②dICOM/dt (切换电流变化率) —导致高 dICOM/dt 值的因素是:高负载电流、高电网频率(假设正弦波电流)或者非正弦波负载电流,它们引起的切换电流变化率超出最大的允许值,使 双向可控硅甚至不能支持 50Hz 波形由零上升时不大的 dV/dt,加入一几 mH 的电感和负载串联,可以限制 dICOM/dt。

 

·为了解决高 dv/dt 及 di/dt 引起的问题,还可以使用 Hi-Com 双向可控硅,它和传统的双向可控硅的内部结构有差别。差别之一是内部的二个“闸流管”分隔得更好,减少了互相的影响。这带来下列好处:

 

①高 dVCOM/dt。能控制电抗性负载,在很多场合下不需要缓冲电路,保证无故障切换。这降低了元器件数量、底板尺寸和成本,还免去了缓冲电路的功率耗散。

 

②高 dICOM/dt。切换高频电流或非正弦波电流的性能大为改善,而不需要在负载上串联电感,以限制 dICOM/dt。

 

③高 dvD/dt(断开状态下电压变化率)。双向可控硅在高温下更为灵敏。高温下,处于截止状态时,容易因高 dV/dt 下的假触发而导通。Hi-Com 双向可控硅减少了这种倾向。从而可以用在高温电器,控制电阻性负载,例如厨房和取暖电器,而传统的双向可控硅则不能用。

 

门极参数的选用

门极触发电流—为了使可控硅可靠触发,触发电流 Igt 选择 25 度时 max 值的 α 倍,α 为门极触发电流—结温特性系数,查数据手册可得,取特性曲线中最低工作温度时的系数。若对器件工作环境温度无特殊需要,通常 α 取大于 1.5 倍即可。

 

门极压降—可以选择 Vgt 25 度时 max 值的 β 倍。β 为门极触发电压—结温特性系数,查数据手册可得,取特性曲线中最低工作温度时的系数。若对器件工作环境温度无特殊需要,通常 β 取 1~1.2 倍即可。

 

触发电阻—Rg=(Vcc-Vgt)/Igt

 

触发脉冲宽度—为了导通闸流管(或双向可控硅),除了要门极电流≧IGT ,还要使负载电流达到≧IL(擎住电流),并按可能遇到的最低温度考虑。因此,可取 25 度下可靠触发可控硅的脉冲宽度 Tgw 的 2 倍以上。

 

在电子噪声充斥的环境中,若干扰电压超过触发电压 VGT,并有足够的门极电流,就会发生假触发,导致双向可控硅切换。第一条防线是降低临近空间的杂波。门极接线越短越好,并确保门极驱动电路的共用返回线直接连接到 TI 管脚(对闸流管是阴极)。若门极接线是硬线,可采用螺旋双线,或干脆用屏蔽线,这些必要的措施都是为了降低杂波的吸收。为增加对电子噪声的抵抗力,可在门极和 T1 之间串入 1kΩ 或更小的电阻,以此降低门极的灵敏度。假如已采用高频旁路电容,建议在该电容和门极间加入电阻,以降低通过门极的电容电流的峰值,减少双向可控硅门极区域为过电流烧毁的可能。

 

结温 Tj 的控制:为了长期可靠工作,应保证 Rth j-a 足够低,维持 Tj 不高于 80%Tjmax , 其值相应于可能的最高环境温度。

 

双向可控硅的安装

对负载小,或电流持续时间短(小于 1 秒钟)的双向可控硅,可在自由空间工作。但大部分情况下,需要安装在散热器或散热的支架上,为了减小热阻,可控硅与散热器间要涂上导热硅脂。

 

双向可控硅固定到散热器的主要方法有三种,夹子压接、螺栓固定和铆接。前二种方法的安装工具很容易取得。很多场合下,铆接不是一种推荐的方法,本文不做介绍。

 

夹子压接

这是推荐的方法,热阻最小。夹子对器件的塑封施加压力。这同样适用于非绝缘封装(SOT82 和 SOT78 ) 和绝缘封装( SOT186 F-pack 和更新的 SOT186A X-pack)。注意,SOT78 就是 TO220AB。

 

螺栓固定

SOT78 组件带有 M3 成套安装零件,包括矩形垫圈,垫圈放在螺栓头和接头片之间。应该不对器件的塑料体施加任何力量。

 

安装过程中,螺丝刀决不能对器件塑料体施加任何力量。

 

和接头片接触的散热器表面应处理,保证平坦,10mm 上允许偏差 0.02mm。

 

安装力矩(带垫圈)应在 0.55Nm 和 0.8Nm 之间。

 

应避免使用自攻丝螺钉,因为挤压可能导致安装孔周围的隆起,影响器件和散热器之间的热接触。安装力矩无法控制,也是这种安装方法的缺点。器件应首先机械固定,然后焊接引线。这可减少引线的不适当应力。

 

在可控硅设计中,选用合适的参数以及与之相对应的软硬件设计,用可控硅构成的变流装置具有节约能源、成本低廉等特点,目前在工业中得到飞速的发展。

 

除此以外,可控硅的应用市场,可谓是相当的广阔,譬如:在自动化控制领域、机电领域、工业电器以及家电等方面,都有可控硅的身影。在消费级市场,U 型马达和电热阻丝也是可控硅应用比较多的方向。通常情况下,一般采用双向可控硅(TRIAC)或者结合交流电源来实现电机控制、恒温恒功率的控制电路。

 

不管是电热阻丝还是 U 马达,由于其加入了 TRIAC 这样的双向可控硅的器件,加入了 PID 控制算法所以其相关的电路设计就变得非常复杂,为了让大家更好的更轻松的实现相关产品的设计,我特意开设了此次直播课,帮忙大家系统地理解可控硅的在实际具体产品的控制电路设计。