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    分析雙向可控硅的設計及在家電行業中的應用

    發布時間:2020-06-23 責任編輯:lina

    【導讀】1958 年,從美國通用電氣公司研制成功第一個工業用可控硅開始,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節電路,如調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節電路,如調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展而成的,它不僅能代替兩只反極性并聯的可控硅,而且僅需一個觸發電路,是目前比較理想的交流開關器件,一直為家電行業中主要的功率控 制器件。近幾年,隨著半導體技術的發展,大功率雙向可控硅不斷涌現,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的雙向可控硅的設計及應用。
     
    雙向可控硅特點
    雙向可控硅可被認為是一對反并聯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 T2,一個門極 G,門極使器件在主電極的正反兩個方向均可觸發導通,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、負觸發脈沖都能使管子觸發導通,因此有四種觸發方式。
     
    分析雙向可控硅的設計及在家電行業中的應用
    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定的 IDRM 和 IRRM。
     
    通態(峰值)電壓 VTM 的選擇:它是可控硅通以規定倍數額定電流時的瞬態峰值壓降。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所必需的最小主電流,它與結溫有關,結溫越高,則 IH 越小。
     
    電壓上升率的抵制:dv/dt 指的是在關斷狀態下電壓的上升斜率,這是防止誤觸發的一個關鍵參數。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等效電流,這個電流就會成為 Ig,也就是出現了觸發電流,導致誤觸發。
     
    分析雙向可控硅的設計及在家電行業中的應用
    圖 2 雙向可控硅等效示意圖
     
    切換電壓上升率 dVCOM/dt。驅動高電抗性的負載時,負載電壓和電流的波形間通常發生實質性的相位移動。當負載電流過零時雙向可控硅發生切換,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導通狀態,因為載流子沒有充分的時間自結上撤出,如圖 3 所示。
     
     分析雙向可控硅的設計及在家電行業中的應用
    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,為避免發生假觸發,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,電容性內部電流能產生足夠大的門極電流,并觸發器件導通。門極靈敏度隨溫度而升高。假如發生這樣的問題,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極電流觸發下導通,門極臨近處立即導通,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超出或導通時的 dIT/dt 有可能被超出,可在負載上串聯一個幾 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 波形由零上升時不大的 dV/dt,加入一幾 mH 的電感和負載串聯,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,它和傳統的雙向可控硅的內部結構有差別。差別之一是內部的二個“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電感,以限制 dICOM/dt。
     
    ③高 dvD/dt(斷開狀態下電壓變化率)。雙向可控硅在高溫下更為靈敏。高溫下,處于截止狀態時,容易因高 dV/dt 下的假觸發而導通。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。
     
    門極參數的選用
    門極觸發電流—為了使可控硅可靠觸發,觸發電流 Igt 選擇 25 度時 max 值的 α 倍,α 為門極觸發電流—結溫特性系數,查數據手冊可得,取特性曲線中最低工作溫度時的系數。若對器件工作環境溫度無特殊需要,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 為門極觸發電壓—結溫特性系數,查數據手冊可得,取特性曲線中最低工作溫度時的系數。若對器件工作環境溫度無特殊需要,通常 β 取 1~1.2 倍即可。
     
    觸發電阻—Rg=(Vcc-Vgt)/Igt
     
    觸發脈沖寬度—為了導通閘流管(或雙向可控硅),除了要門極電流≧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 度下可靠觸發可控硅的脈沖寬度 Tgw 的 2 倍以上。
     
    在電子噪聲充斥的環境中,若干擾電壓超過觸發電壓 VGT,并有足夠的門極電流,就會發生假觸發,導致雙向可控硅切換。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 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境溫度。
     
    雙向可控硅的安裝
    對負載小,或電流持續時間短(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。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。
     
    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,目前在工業中得到飛速的發展。
     
    除此以外,可控硅的應用市場,可謂是相當的廣闊,譬如:在自動化控制領域、機電領域、工業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)或者結合交流電源來實現電機控制、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的電路設計就變得非常復雜,為了讓大家更好的更輕松的實現相關產品的設計,我特意開設了此次直播課,幫忙大家系統地理解可控硅的在實際具體產品的控制電路設計。

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