雙向可控硅噪聲抑制的基本原理和新的低成本的dV/dt性能改進(jìn)解決方案

　　從上個(gè)世紀(jì)70年代開始，雙向可控硅(又稱三端雙向晶閘管)一直用于控制交流負(fù)載，幾乎在所有電器上都能看到雙向可控硅。當(dāng)終端設(shè)備上的電壓上升速率過快時(shí)，雙向可控硅將會(huì)自動(dòng)觸發(fā)，從那時(shí)起，設(shè)計(jì)人員就必須面對雙向可控硅的這個(gè)特性。當(dāng)設(shè)計(jì)對電壓快速瞬變有要求的電器時(shí)，必須考慮這個(gè)問題。

　　半導(dǎo)體易受到dV/dt變化速率的影響

　　功率半導(dǎo)體器件由多個(gè)半導(dǎo)體層組成。例如，雙向可控硅是四層結(jié)構(gòu)交流開關(guān)元件，每層是半個(gè)祼片，每層通過交替摻雜方法控制空穴濃度(P區(qū))或自由電子濃度(N區(qū))，形成兩個(gè)單向可控硅。因此，雙向可控硅相當(dāng)于兩個(gè)反極性并聯(lián)的單向可控硅(圖 1)。

　　每個(gè)PN結(jié)都會(huì)產(chǎn)生寄生電容，當(dāng)施加斜坡電壓時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電容電流(ICAP)。電容電流可能會(huì)向IGBT或功率MOSFET等電壓控制型半導(dǎo)體的柵極電容充電。如果電容電壓持續(xù)升高，超過閾壓(VGS(th)或VGE(th))，器件可能會(huì)導(dǎo)通。即使不足以觸發(fā)器件，器件也可能進(jìn)入飽和模式(如果是MOSFET)或線性模式(如果是IGBT)，導(dǎo)致功率損耗過大和器件失效。為避免這個(gè)問題，柵極必須通過低阻抗以源極或發(fā)射極為參考點(diǎn)。

　　圖1:a)雙向可控硅結(jié)構(gòu)易受dV/dt上升率影響 b) dV/dt上升率引起導(dǎo)通示例圖

　　如果dV/dt(以A1端為參考點(diǎn))為正值，則電流ICAP經(jīng)P1-N1結(jié)流至A1;如果dV/dt為負(fù)值，則電流ICAP經(jīng)P2-N3結(jié)流至A2(如圖1所示)。假如P1或P2層電壓分別高于P1-N2或P2-N3結(jié)閾壓(即0.6 V)，該電容電流就可能導(dǎo)致雙向可控硅導(dǎo)通。

　　在雙向可控硅產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中，廠商給出相關(guān)器件在導(dǎo)通前能夠承受的最小的dV/dt上升速率。如果電壓上升速率高于這個(gè)數(shù)值，雙向可控硅可能就會(huì)導(dǎo)通，如圖1b所示。只要施加的電流小于器件最大輸入電流，dV/dt引起的導(dǎo)通不會(huì)損壞雙向可控硅。因?yàn)楫?dāng)雙向可控硅導(dǎo)通時(shí)，電流會(huì)受到負(fù)載阻抗限制，所以大多數(shù)情況下不會(huì)損壞雙向可控硅。

　　改進(jìn)雙向可控硅的dV/dt特性

　　為避免當(dāng)雙向可控硅輸入端上電壓變化速率過快而引起的導(dǎo)通問題，傳統(tǒng)解決方案是給雙向可控硅并聯(lián)一個(gè)阻容緩沖電路，抑制市電的dV/dt變化速率。但是，這些電路需要一個(gè)大型電容，以耐受高達(dá)400V的峰壓(連接220-240V市電)。

　　第二種解決方案是在柵極和陰極之間增加阻抗，即增加一個(gè)電阻器(圖1中的RG )。如圖1所示，這個(gè)解決方案只適用于正電壓dV/dt變化的情況，寄生電容電流在P1-N1結(jié)分流(見藍(lán)色虛線ICAP)，防止開關(guān)被觸發(fā)。對于負(fù)電壓dV/dt情況，電容電流(圖1a中的紅色虛線)流向P2-N3結(jié)。外部器件無法分流這部分電流，因而無法改進(jìn)反向dV/dt抑制功能。

　　用電容替代電阻(圖1中的RG )也可以解決這個(gè)問題，雖然這個(gè)辦法在SCR(可控硅整流管)中效果很好，但是不建議用于雙向可控硅，因?yàn)殡p向可控硅導(dǎo)通時(shí)dI/dt速率很高，這個(gè)電容可能會(huì)在雙向可控硅柵極上產(chǎn)生過流，導(dǎo)致器件損毀。

　　為防范這種風(fēng)險(xiǎn)，可以給該電容串聯(lián)一個(gè)電阻(圖2a中的RG 和CG)，這樣做的好處是使用一個(gè)低阻值的RG，同時(shí)避免了從控制電路分流過高的電流，因?yàn)橹灰潆姡珻G 相當(dāng)于開路。

　　柵極阻容濾波器有益于提高應(yīng)用抗干擾能力

　　家電電器必須達(dá)到電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)的最低要求。因?yàn)殡p向可控硅通過負(fù)載直接連接市電，這類電器對IEC61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)中的電快速瞬變(EFT)實(shí)驗(yàn)所用瞬變事件特別敏感。

　　IEC61000-4-4實(shí)驗(yàn)條件包括耦合到市電網(wǎng)絡(luò)的5 kHz或100 kHz電壓脈沖串。因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)是在整個(gè)被測電器上進(jìn)行，所以微控制器也可能受到電磁干擾。我們在實(shí)驗(yàn)中只評測雙向可控硅的抗擾度，所以將其柵極直接連至其參考電極，使雙向可控硅不受其它干擾的影響(圖2)。

　　圖2：IEC61000-4-4測試配置

　　輸入變阻器用于鉗制電壓，防止擊穿導(dǎo)致雙向可控硅導(dǎo)通。假如沒有輸入變阻器，只要施加1 kV峰壓，任何雙向可控硅都會(huì)導(dǎo)通。我們使用一個(gè)白熾燈作為負(fù)載，以便于觀察雙向可控硅何時(shí)導(dǎo)通。例如，我們測試了幾款意法半導(dǎo)體的T系列產(chǎn)品(T610T-8FP, T810T-8FP, T1210T-8FP, T1610T-8FP)。每款產(chǎn)品的柵電流都是10 mA，都對EFT(電快速瞬變)噪聲敏感。通過圖2中的RG-CG-RG2電路，每款產(chǎn)品都能承受3 kV 5 Khz脈沖或2 kV 100 Khz脈沖。如果沒有這個(gè)柵極電路，連1 kV的脈沖都承受不住。RG2 對應(yīng)微控制器輸出引腳的內(nèi)部RDS(ON)電阻，無需增加外部電阻。

　　與傳統(tǒng)緩沖電路(圖2中的RS和CS)相比，柵極電路所能承受的電壓略高(3.6 kV 對 3.3 kV 典型值)。柵極電路只用一個(gè)16V 的小電容器就取得了400V大電容器的抗擾性能。柵極電路與緩沖電路配合，讓只使用10 mA雙向可控硅的電器取得高于6 kV的EFT抗擾性能。柵極電路能夠讓所有的雙向可控硅受益，不過，意法半導(dǎo)體T系列產(chǎn)品本身的負(fù)電壓dV/dt性能非常優(yōu)異，同時(shí)再使用外部柵極電路提高正電壓dV/dt性能。

　　總之，用柵極濾波器代替高壓緩沖器也可以降低電路板尺寸和成本，此外，還可以濾除從市電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入到控制電路的噪聲。