雙向可控硅的設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析

摘要：分析了雙向可控硅的設(shè)計(jì)及參數(shù)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(dǎo)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)用可控硅開始，電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)的變流機(jī)組、靜止的離子變流器進(jìn)入以電力半導(dǎo)體器件組成的變流器時(shí)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(hù)電路。雙向可控硅一般用于交流調(diào)節(jié)電路，如調(diào)光臺(tái)燈及全自動(dòng)洗衣機(jī)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(gè)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(jì)及應(yīng)用。

雙向可控硅特點(diǎn)

　　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(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門極G，門極使器件在主電極的正反兩個(gè)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(jìn)行適當(dāng)選用并采取相應(yīng)措施以達(dá)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(shí)，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(shí)際工作電流值的2~3倍。同時(shí)，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(shí)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(shí)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(gè)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(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(xiàn)等效電流，這個(gè)電流就會(huì)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(dòng)高電抗性的負(fù)載時(shí)，負(fù)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(dāng)負(fù)載電流過零時(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）若超過允許值，會(huì)迫使雙向可控硅回復(fù)導(dǎo)通狀態(tài)，因?yàn)檩d流子沒有充分的時(shí)間自結(jié)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(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47~100Ω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(dá)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(gè)方面：

　　①dIT/dt（導(dǎo)通時(shí)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(kuò)展至整個(gè)有效面積。這遲后的時(shí)間有一個(gè)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(shí)的dIT/dt有可能被超出，可在負(fù)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(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(shí)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(gè)“閘流管”分隔得更好，減少了互相的影響。這帶來下列好處：

　?、俑遜VCOM/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。

　?、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(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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(dá)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(huì)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(dòng)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1kΩ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?yàn)檫^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(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(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?yàn)閿D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(diǎn)。
器件應(yīng)首先機(jī)械固定，然后焊接引線。這可減少引線的不適當(dāng)應(yīng)力。

結(jié)語

　　在可控硅設(shè)計(jì)中，選用合適的參數(shù)以及與之相對應(yīng)的軟硬件設(shè)計(jì)，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(diǎn)，目前在工業(yè)中得到飛速的發(fā)展。

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