雙向可控硅設計以及應用分析

時間：2015-07-22

	西安瑞新可控硅網(wǎng)分析了雙向可控硅的設計及參數(shù)選取方法，同時介紹了雙向可控硅的安裝方法。


	 


	雙向可控硅特點


	 


	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，它有兩個主電極T1和T2，一個門較G，門較使器件在主電極的正反兩個方向均可觸發(fā)導通，所以雙向可控硅在*1和*3象限有對稱的伏安特性。雙向可控硅門較加正、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。
 


	


	 


	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(shù)，對雙向可控硅進行適當選用并采取相應措施以達到各參數(shù)的要求。


	 


	引言


	 


	1958年，從美國通用電氣公司研制成功**個工業(yè)用可控硅開始，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入以電力半導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，隨著半導體技術的發(fā)展，大功率雙向可控硅不斷涌現(xiàn)，并廣泛應用在變流、變頻領域，可控硅應用技術日益成熟。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。


	 


	·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，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)重復峰值電壓VDRM和反向重復峰值電壓VRRM時的峰值電流應小于器件規(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)所必需的較小主電流，它與結溫有關，結溫越高，則IH越小。


	 


	·電壓上升率的抵制：dv/dt指的是在關斷狀態(tài)下電壓的上升斜率，這是防止誤觸發(fā)的一個關鍵參數(shù)。此值**限將可能導致可控硅出現(xiàn)誤導通的現(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，導致誤觸發(fā)。


	 


	切換電壓上升率dVCOM/dt。驅(qū)動高電抗性的負載時，負載電壓和電流的波形間通常發(fā)生實質(zhì)性的相位移動。當負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**過允許值，會迫使雙向可控硅回復導通狀態(tài)，因為載流子沒有充分的時間自結上撤出。


	 


	高dVCOM/dt承受能力受二個條件影響：


	 


	dICOM/dt—切換時負載電流下降率。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**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47~100Ω的能承受浪涌電流的碳膜電阻，0.01μF~0.47μF的電容，晶閘管關斷過程中主電流過零反向后迅速由反向峰值恢復至零電流，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（或門較靈敏的閘流管）作用很高的電壓變化率，盡管不**過VDRM，電容性內(nèi)部電流能產(chǎn)生足夠大的門較電流，并觸發(fā)器件導通。門較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（導通時的電流上升率）—當雙向可控硅或閘流管在門較電流觸發(fā)下導通，門較臨近處立即導通，然后迅速擴展至整個有效面積。這遲后的時間有一個極限，即負載電流上升率的許可值。過高的dIT/dt可能導致局部燒毀，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在嚴重的、異常的電源瞬間過程中有可能被**出或?qū)〞r的dIT/dt有可能被**出，可在負載上串聯(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**出較大的允許值，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)部結構有差別。差別之一是內(nèi)部的二個“閘流管”分隔得較好，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較為靈敏。高溫下，處于截止狀態(tài)時，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(tǒng)的雙向可控硅則不能用。


	 


	·門較參數(shù)的選用：


	 


	門較觸發(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為門較觸發(fā)電流—結溫特性系數(shù)，查數(shù)據(jù)手冊可得，取特性曲線中較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。


	 


	門較壓降—可以選擇Vgt25度時max值的β倍。β為門較觸發(fā)電壓—結溫特性系數(shù)，查數(shù)據(jù)手冊可得，取特性曲線中較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—為了導通閘流管（或雙向可控硅），除了要門較電流≧IGT，還要使負載電流達到≧IL（擎住電流），并按可能遇到的較低溫度考慮。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**過觸發(fā)電壓VGT，并有足夠的門較電流，就會發(fā)生假觸發(fā)，導致雙向可控硅切換。**條防線是降低臨近空間的雜波。門較接線越短越好，并確保門較驅(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）。若門較接線是硬線，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，可在門較和T1之間串入1kΩ或較小的電阻，以此降低門較的靈敏度。假如已采用高頻旁路電容，建議在該電容和門較間加入電阻，以降低通過門較的電容電流的峰值，減少雙向可控硅門較區(qū)域為過電流燒毀的可能。


	 


	·結溫Tj的控制：為了長期可靠工作，應保證Rthj-a足夠低，維持Tj不**80%Tjmax,其值相應于可能的較高環(huán)境溫度。


	 


	雙向可控硅的安裝


	 


	對負載小，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。**種方法的安裝工具很容易**。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，熱阻較小。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（SOT186F-pack和較新的SOT186AX-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圍的隆起，影響器件和散熱器之間的熱接觸。安裝力矩無法控制，也是這種安裝方法的缺點。


	 


	器件應首先機械固定，然后焊接引線。這可減少引線的不適當應力。更多有關可控硅知識歡迎登錄西安瑞新晶閘管網(wǎng)（）；

詞條
詞條說明
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標簽：雙向可控硅設計以及應用分析