【導(dǎo)讀】1958 年，從美國通用電氣公司研制成功第一個工業(yè)用可控硅開始，電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)的變流機組、靜止的離子變流器進入以電力半導(dǎo)體器件組成的變流器時代。可控硅分單向可控硅與雙向可控硅。單向可控硅一般用于彩電的過流、過壓保護電路。雙向可控硅一般用于交流調(diào)節(jié)電路，如調(diào)光臺燈及全自動洗衣機中的交流電源控制。
1958 年，從美國通用電氣公司研制成功第一個工業(yè)用可控硅開始，電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)的變流機組、靜止的離子變流器進入以電力半導(dǎo)體器件組成的變流器時代。可控硅分單向可控硅與雙向可控硅。單向可控硅一般用于彩電的過流、過壓保護電路。雙向可控硅一般用于交流調(diào)節(jié)電路，如調(diào)光臺燈及全自動洗衣機中的交流電源控制。
雙向可控硅是在普通可控硅的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，它不僅能代替兩只反極性并聯(lián)的可控硅，而且僅需一個觸發(fā)電路，是目前比較理想的交流開關(guān)器件，一直為家電行業(yè)中主要的功率控 制器件。近幾年，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大功率雙向可控硅不斷涌現(xiàn)，并廣泛應(yīng)用在變流、 變頻領(lǐng)域，可控硅應(yīng)用技術(shù)日益成熟。本文主要探討廣泛應(yīng)用于家電行業(yè)的雙向可控硅的設(shè)計及應(yīng)用。
雙向可控硅特點
雙向可控硅可被認(rèn)為是一對反并聯(lián)連接的普通可控硅的集成，工作原理與普通單向可控硅相同。圖 1 為雙向可控硅的基本結(jié)構(gòu)及其等效電路，它有兩個主電極 T1 和 T2，一個門極 G，門極使器件在主電極的正反兩個方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向可控硅在第 1 和第 3 象限有 對稱的伏安特性。雙向可控硅門極加正、負(fù)觸發(fā)脈沖都能使管子觸發(fā)導(dǎo)通，因此有四種觸發(fā)方式。
圖 1 雙向可控硅結(jié)構(gòu)及等效電路
雙向可控硅應(yīng)用
為正常使用雙向可控硅，需定量掌握其主要參數(shù)，對雙向可控硅進行適當(dāng)選用并采取相應(yīng)措施以達到各參數(shù)的要求。
耐壓級別的選擇：通常把 VDRM（斷態(tài)重復(fù)峰值電壓）和 VRRM（反向重復(fù)峰值電壓）中較小的值標(biāo)作該器件的額定電壓。選用時，額定電壓應(yīng)為正常工作峰值電壓的 2~3 倍，作 為允許的操作過電壓裕量。
電流的確定：由于雙向可控硅通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示它的額定電流值。由于可控硅的過載能力比一般電磁器件小，因而一般家電中選用可控硅的電流值為實際工作電流值的 2~3 倍。同時，可控硅承受斷態(tài)重復(fù)峰值電壓 VDRM 和反向重復(fù)峰 值電壓 VRRM 時的峰值電流應(yīng)小于器件規(guī)定的 IDRM 和 IRRM。
通態(tài)（峰值）電壓 VTM 的選擇：它是可控硅通以規(guī)定倍數(shù)額定電流時的瞬態(tài)峰值壓降。為減少可控硅的熱損耗，應(yīng)盡可能選擇 VTM 小的可控硅。
維持電流：IH 是維持可控硅維持通態(tài)所必需的最小主電流，它與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則 IH 越小。
電壓上升率的抵制：dv/dt 指的是在關(guān)斷狀態(tài)下電壓的上升斜率，這是防止誤觸發(fā)的一個關(guān)鍵參數(shù)。此值超限將可能導(dǎo)致可控硅出現(xiàn)誤導(dǎo)通的現(xiàn)象。由于可控硅的制造工藝決定了 A2 與 G 之間會存在寄生電容，如圖 2 所示。我們知道 dv/dt 的變化在電容的兩端會出現(xiàn)等效電流，這個電流就會成為 Ig，也就是出現(xiàn)了觸發(fā)電流，導(dǎo)致誤觸發(fā)。
圖 2 雙向可控硅等效示意圖
切換電壓上升率 dVCOM/dt。驅(qū)動高電抗性的負(fù)載時，負(fù)載電壓和電流的波形間通常發(fā)生實質(zhì)性的相位移動。當(dāng)負(fù)載電流過零時雙向可控硅發(fā)生切換，由于相位差電壓并不為零。這時雙向可控硅須立即阻斷該電壓。產(chǎn)生的切換電壓上升率（dVCOM/dt）若超過允許值，會迫使雙向可控硅回復(fù)導(dǎo)通狀態(tài)，因為載流子沒有充分的時間自結(jié)上撤出，如圖 3 所示。
圖 3 切換時的電流及電壓變化
高 dVCOM/dt 承受能力受二個條件影響：
dICOM/dt—切換時負(fù)載電流下降率。dICOM/dt 高，則 dVCOM/dt 承受能力下降。結(jié)面溫度 Tj 越高，dVCOM/dt 承受能力越下降。假如雙向可控硅的 dVCOM/dt 的允許值有可能被超過，為避免發(fā)生假觸發(fā)，可在 T1 和 T2 間裝置 RC 緩沖電路，以此限制電壓上升率。通常選用 47~100? 的能承受浪涌電流的碳膜電阻，0.01μF~0.47μF 的電容，晶閘管關(guān)斷過程中主電流過零反向后迅速由反向峰值恢復(fù)至零電流，此過程可在元件兩端產(chǎn)生達正常工作峰值電壓 5-6 倍的尖峰電壓。一般建議在盡可能靠近元件本身的地方接上阻容吸收回路。
斷開狀態(tài)下電壓變化率 dvD/dt。若截止的雙向可控硅上（或門極靈敏的閘流管）作用很高的電壓變化率，盡管不超過 VDRM，電容性內(nèi)部電流能產(chǎn)生足夠大的門極電流，并觸發(fā)器件導(dǎo)通。門極靈敏度隨溫度而升高。假如發(fā)生這樣的問題，T1 和 T2 間（或陽極和陰極間） 應(yīng)該加上 RC 緩沖電路，以限制 dvD/dt。
電流上升率的抑制：電流上升率的影響主要表現(xiàn)在以下兩個方面：
①dIT/dt（導(dǎo)通時的電流上升率）—當(dāng)雙向可控硅或閘流管在門極電流觸發(fā)下導(dǎo)通，門極臨近處立即導(dǎo)通，然后迅速擴展至整個有效面積。這遲后的時間有一個極限，即負(fù)載電流上升率的許可值。過高的 dIT/dt 可能導(dǎo)致局部燒毀，并使 T1-T2 短路。假如過程中限制 dIT/dt 到一較低的值，雙向可控硅可能可以幸存。因此，假如雙向可控硅的 VDRM 在嚴(yán)重的、異常的電源瞬間過程中有可能被超出或?qū)〞r的 dIT/dt 有可能被超出，可在負(fù)載上串聯(lián)一個幾 μH 的不飽和（空心）電感。
②dICOM/dt (切換電流變化率) —導(dǎo)致高 dICOM/dt 值的因素是:高負(fù)載電流、高電網(wǎng)頻率（假設(shè)正弦波電流）或者非正弦波負(fù)載電流,它們引起的切換電流變化率超出最大的允許值，使 雙向可控硅甚至不能支持 50Hz 波形由零上升時不大的 dV/dt，加入一幾 mH 的電感和負(fù)載串聯(lián)，可以限制 dICOM/dt。
·為了解決高 dv/dt 及 di/dt 引起的問題，還可以使用 Hi-Com 雙向可控硅，它和傳統(tǒng)的雙向可控硅的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有差別。差別之一是內(nèi)部的二個“閘流管”分隔得更好，減少了互相的影響。這帶來下列好處：
①高 dVCOM/dt。能控制電抗性負(fù)載，在很多場合下不需要緩沖電路，保證無故障切換。這降低了元器件數(shù)量、底板尺寸和成本，還免去了緩沖電路的功率耗散。
②高 dICOM/dt。切換高頻電流或非正弦波電流的性能大為改善，而不需要在負(fù)載上串聯(lián)電感，以限制 dICOM/dt。
③高 dvD/dt（斷開狀態(tài)下電壓變化率）。雙向可控硅在高溫下更為靈敏。高溫下，處于截止?fàn)顟B(tài)時，容易因高 dV/dt 下的假觸發(fā)而導(dǎo)通。Hi-Com 雙向可控硅減少了這種傾向。從而可以用在高溫電器，控制電阻性負(fù)載，例如廚房和取暖電器，而傳統(tǒng)的雙向可控硅則不能用。
門極參數(shù)的選用
門極觸發(fā)電流—為了使可控硅可靠觸發(fā)，觸發(fā)電流 Igt 選擇 25 度時 max 值的 α 倍，α 為門極觸發(fā)電流—結(jié)溫特性系數(shù)，查數(shù)據(jù)手冊可得，取特性曲線中最低工作溫度時的系數(shù)。若對器件工作環(huán)境溫度無特殊需要，通常 α 取大于 1.5 倍即可。
門極壓降—可以選擇 Vgt 25 度時 max 值的 β 倍。β 為門極觸發(fā)電壓—結(jié)溫特性系數(shù)，查數(shù)據(jù)手冊可得，取特性曲線中最低工作溫度時的系數(shù)。若對器件工作環(huán)境溫度無特殊需要，通常 β 取 1~1.2 倍即可。
觸發(fā)電阻—Rg=（Vcc-Vgt）/Igt
觸發(fā)脈沖寬度—為了導(dǎo)通閘流管（或雙向可控硅），除了要門極電流≧IGT ，還要使負(fù)載電流達到≧IL（擎住電流），并按可能遇到的最低溫度考慮。因此，可取 25 度下可靠觸發(fā)可控硅的脈沖寬度 Tgw 的 2 倍以上。
在電子噪聲充斥的環(huán)境中，若干擾電壓超過觸發(fā)電壓 VGT，并有足夠的門極電流，就會發(fā)生假觸發(fā)，導(dǎo)致雙向可控硅切換。第一條防線是降低臨近空間的雜波。門極接線越短越好，并確保門極驅(qū)動電路的共用返回線直接連接到 TI 管腳（對閘流管是陰極）。若門極接線是硬線，可采用螺旋雙線，或干脆用屏蔽線，這些必要的措施都是為了降低雜波的吸收。為增加對電子噪聲的抵抗力，可在門極和 T1 之間串入 1k? 或更小的電阻，以此降低門極的靈敏度。假如已采用高頻旁路電容，建議在該電容和門極間加入電阻，以降低通過門極的電容電流的峰值，減少雙向可控硅門極區(qū)域為過電流燒毀的可能。
結(jié)溫 Tj 的控制：為了長期可靠工作，應(yīng)保證 Rth j-a 足夠低，維持 Tj 不高于 80%Tjmax , 其值相應(yīng)于可能的最高環(huán)境溫度。
雙向可控硅的安裝
對負(fù)載小，或電流持續(xù)時間短（小于 1 秒鐘）的雙向可控硅，可在自由空間工作。但大部分情況下，需要安裝在散熱器或散熱的支架上，為了減小熱阻，可控硅與散熱器間要涂上導(dǎo)熱硅脂。
雙向可控硅固定到散熱器的主要方法有三種，夾子壓接、螺栓固定和鉚接。前二種方法的安裝工具很容易取得。很多場合下，鉚接不是一種推薦的方法，本文不做介紹。
夾子壓接
這是推薦的方法，熱阻最小。夾子對器件的塑封施加壓力。這同樣適用于非絕緣封裝（SOT82 和 SOT78 ） 和絕緣封裝（ SOT186 F-pack 和更新的 SOT186A X-pack）。注意，SOT78 就是 TO220AB。
螺栓固定
SOT78 組件帶有 M3 成套安裝零件，包括矩形墊圈，墊圈放在螺栓頭和接頭片之間。應(yīng)該不對器件的塑料體施加任何力量。
安裝過程中，螺絲刀決不能對器件塑料體施加任何力量。
和接頭片接觸的散熱器表面應(yīng)處理，保證平坦，10mm 上允許偏差 0.02mm。
安裝力矩（帶墊圈）應(yīng)在 0.55Nm 和 0.8Nm 之間。
應(yīng)避免使用自攻絲螺釘，因為擠壓可能導(dǎo)致安裝孔周圍的隆起，影響器件和散熱器之間的熱接觸。安裝力矩?zé)o法控制，也是這種安裝方法的缺點。器件應(yīng)首先機械固定，然后焊接引線。這可減少引線的不適當(dāng)應(yīng)力。
在可控硅設(shè)計中，選用合適的參數(shù)以及與之相對應(yīng)的軟硬件設(shè)計，用可控硅構(gòu)成的變流裝置具有節(jié)約能源、成本低廉等特點，目前在工業(yè)中得到飛速的發(fā)展。
除此以外，可控硅的應(yīng)用市場，可謂是相當(dāng)?shù)膹V闊，譬如：在自動化控制領(lǐng)域、機電領(lǐng)域、工業(yè)電器以及家電等方面，都有可控硅的身影。在消費級市場，U 型馬達和電熱阻絲也是可控硅應(yīng)用比較多的方向。通常情況下，一般采用雙向可控硅（TRIAC）或者結(jié)合交流電源來實現(xiàn)電機控制、恒溫恒功率的控制電路。
不管是電熱阻絲還是 U 馬達，由于其加入了 TRIAC 這樣的雙向可控硅的器件，加入了 PID 控制算法所以其相關(guān)的電路設(shè)計就變得非常復(fù)雜，為了讓大家更好的更輕松的實現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計，我特意開設(shè)了此次直播課，幫忙大家系統(tǒng)地理解可控硅的在實際具體產(chǎn)品的控制電路設(shè)計。
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