雙向可控硅的設計及應用分析

摘要：分析了雙向可控硅的設計及參數選取方法，同時(shí)介紹了雙向可控硅的安裝方法。
關(guān)鍵詞：可控硅；電流上升率；導熱硅脂

引言

　　1958年，從美國通用電氣公司研制成功第一個(gè)工業(yè)用可控硅開(kāi)始，電能的變換和控制從旋轉的變流機組、靜止的離子變流器進(jìn)入以電力半導體器件組成的變流器時(shí)代?？煽毓璺謫蜗蚩煽毓枧c雙向可控硅。單向可控硅一般用于彩電的過(guò)流、過(guò)壓保護電路。雙向可控硅一般用于交流調節電路，如調光臺燈及全自動(dòng)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(gè)觸發(fā)電路，是目前比較理想的交流開(kāi)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(zhù)半導體技術(shù)的發(fā)展，大功率雙向可控硅不斷涌現，并廣泛應用在變流、變頻領(lǐng)域，可控硅應用技術(shù)日益成熟。本文主要探討廣泛應用于家電行業(yè)的雙向可控硅的設計及應用。

雙向可控硅特點(diǎn)

　　雙向可控硅可被認為是一對反并聯(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構及其等效電路，它有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門(mén)極G，門(mén)極使器件在主電極的正反兩個(gè)方向均可觸發(fā)導通，所以雙向可控硅在第1和第3象限有對稱(chēng)的伏安特性。雙向可控硅門(mén)極加正、負觸發(fā)脈沖都能使管子觸發(fā)導通，因此有四種觸發(fā)方式。

圖1 雙向可控硅結構及等效電路

雙向可控硅應用

　　為正常使用雙向可控硅，需定量掌握其主要參數，對雙向可控硅進(jìn)行適當選用并采取相應措施以達到各參數的要求。

　　·耐壓級別的選擇：通常把VDRM（斷態(tài)重復峰值電壓）和VRRM（反向重復峰值電壓）中較小的值標作該器件的額定電壓。選用時(shí)，額定電壓應為正常工作峰值電壓的2~3倍，作為允許的操作過(guò)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(lái)表示它的額定電流值。由于可控硅的過(guò)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(shí)際工作電流值的2~3倍。同時(shí)，可控硅承受斷態(tài)重復峰值電壓VDRM和反向重復峰值電壓VRRM時(shí)的峰值電流應小于器件規定的IDRM和IRRM。

　　·通態(tài)（峰值）電壓VTM的選擇：它是可控硅通以規定倍數額定電流時(shí)的瞬態(tài)峰值壓降。為減少可控硅的熱損耗，應盡可能選擇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，它與結溫有關(guān)，結溫越高，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(gè)關(guān)鍵參數。此值超限將可能導致可控硅出現誤導通的現象。由于可控硅的制造工藝決定了A2與G之間會(huì )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(huì )出現等效電流，這個(gè)電流就會(huì )成為Ig，也就是出現了觸發(fā)電流，導致誤觸發(fā)。

圖2 雙向可控硅等效示意圖

　　切換電壓上升率dVCOM/dt。驅動(dòng)高電抗性的負載時(shí)，負載電壓和電流的波形間通常發(fā)生實(shí)質(zhì)性的相位移動(dòng)。當負載電流過(guò)零時(shí)雙向可控硅發(fā)生切換，由于相位差電壓并不為零。這時(shí)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(guò)允許值，會(huì )迫使雙向可控硅回復導通狀態(tài)，因為載流子沒(méi)有充分的時(shí)間自結上撤出，如圖3所示。

圖3 切換時(shí)的電流及電壓變化

　　高dVCOM/dt承受能力受二個(gè)條件影響：

　　dICOM/dt—切換時(shí)負載電流下降率。dICOM/dt高，則dVCOM/dt承受能力下降。
結面溫度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(guò)，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47~100Ω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(guò)程中主電流過(guò)零反向后迅速由反向峰值恢復至零電流，此過(guò)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(kāi)狀態(tài)下電壓變化率dvD/dt。若截止的雙向可控硅上（或門(mén)極靈敏的閘流管）作用很高的電壓變化率，盡管不超過(guò)VDRM，電容性?xún)炔侩娏髂墚a(chǎn)生足夠大的門(mén)極電流，并觸發(fā)器件導通。門(mén)極靈敏度隨溫度而升高。假如發(fā)生這樣的問(wèn)題，T1 和T2 間（或陽(yáng)極和陰極間）應該加上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在以下兩個(gè)方面：

　?、賒IT/dt（導通時(shí)的電流上升率）—當雙向可控硅或閘流管在門(mén)極電流觸發(fā)下導通，門(mén)極臨近處立即導通，然后迅速擴展至整個(gè)有效面積。這遲后的時(shí)間有一個(gè)極限，即負載電流上升率的許可值。過(guò)高的dIT/dt可能導致局部燒毀，并使T1-T2 短路。假如過(guò)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在嚴重的、異常的電源瞬間過(guò)程中有可能被超出或導通時(shí)的dIT/dt有可能被超出，可在負載上串聯(lián)一個(gè)幾μH的不飽和（空心）電感。

　?、赿ICOM/dt (切換電流變化率) —導致高dICOM/dt值的因素是:高負載電流、高電網(wǎng)頻率（假設正弦波電流）或者非正弦波負載電流,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(shí)不大的dV/dt，加入一幾mH的電感和負載串聯(lián)，可以限制dICOM/dt。
·為了解決高dv/dt及di/dt引起的問(wèn)題，還可以使用Hi-Com 雙向可控硅，它和傳統的雙向可控硅的內部結構有差別。差別之一是內部的二個(gè)“閘流管”分隔得更好，減少了互相的影響。這帶來(lái)下列好處：

　?、俑遜VCOM/dt。能控制電抗性負載，在很多場(chǎng)合下不需要緩沖電路，保證無(wú)故障切換。這降低了元器件數量、底板尺寸和成本，還免去了緩沖電路的功率耗散。

　?、诟遜ICOM/dt。切換高頻電流或非正弦波電流的性能大為改善，而不需要在負載上串聯(lián)電感，以限制dICOM/dt。

　?、鄹遜vD/dt（斷開(kāi)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，處于截止狀態(tài)時(shí)，容易因高dV/dt下的假觸發(fā)而導通。Hi-Com雙向可控硅減少了這種傾向。從而可以用在高溫電器，控制電阻性負載，例如廚房和取暖電器，而傳統的雙向可控硅則不能用。

　　·門(mén)極參數的選用：

　　門(mén)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(shí)max值的α倍，α為門(mén)極觸發(fā)電流—結溫特性系數，查數據手冊可得，取特性曲線(xiàn)中最低工作溫度時(shí)的系數。若對器件工作環(huán)境溫度無(wú)特殊需要，通常α取大于1.5倍即可。

　　門(mén)極壓降—可以選擇Vgt 25度時(shí)max值的β倍。β為門(mén)極觸發(fā)電壓—結溫特性系數，查數據手冊可得，取特性曲線(xiàn)中最低工作溫度時(shí)的系數。若對器件工作環(huán)境溫度無(wú)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—為了導通閘流管（或雙向可控硅），除了要門(mén)極電流≧IGT ，還要使負載電流達到≧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(guò)觸發(fā)電壓VGT，并有足夠的門(mén)極電流，就會(huì )發(fā)生假觸發(fā)，導致雙向可控硅切換。第一條防線(xiàn)是降低臨近空間的雜波。門(mén)極接線(xiàn)越短越好，并確保門(mén)極驅動(dòng)電路的共用返回線(xiàn)直接連接到TI 管腳（對閘流管是陰極）。若門(mén)極接線(xiàn)是硬線(xiàn)，可采用螺旋雙線(xiàn)，或干脆用屏蔽線(xiàn)，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(mén)極和T1 之間串入1kΩ或更小的電阻，以此降低門(mén)極的靈敏度。假如已采用高頻旁路電容，建議在該電容和門(mén)極間加入電阻，以降低通過(guò)門(mén)極的電容電流的峰值，減少雙向可控硅門(mén)極區域為過(guò)電流燒毀的可能。

　　·結溫Tj的控制：為了長(cháng)期可靠工作，應保證Rth j-a 足夠低，維持Tj不高于80%Tjmax ,其值相應于可能的最高環(huán)境溫度。

雙向可控硅的安裝

　　對負載小，或電流持續時(shí)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(chǎng)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。應該不對器件的塑料體施加任何力量。

　　安裝過(guò)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處理，保證平坦，10mm上允許偏差0.02mm。

　　安裝力矩（帶墊圈）應在0.55Nm 和0.8Nm 之間。

　　應避免使用自攻絲螺釘，因為擠壓可能導致安裝孔周?chē)穆∑?，影響器件和散熱器之間的熱接觸。安裝力矩無(wú)法控制，也是這種安裝方法的缺點(diǎn)。
器件應首先機械固定，然后焊接引線(xiàn)。這可減少引線(xiàn)的不適當應力。

結語(yǔ)

　　在可控硅設計中，選用合適的參數以及與之相對應的軟硬件設計，用可控硅構成的變流裝置具有節約能源、成本低廉等特點(diǎn)，目前在工業(yè)中得到飛速的發(fā)展。

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