雙向可控硅的設(shè)計及應(yīng)用分析

　　引言

　　1958年，從美國通用電氣公司研制成功第一個工業(yè)用可控硅開始，電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)的變流機組、靜止的離子變流器進入以電力半導(dǎo)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(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)計及應(yīng)用。

　　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(jié)構(gòu)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(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)，對雙向可控硅進行適當選用并采取相應(yīng)措施以達到各參數(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)中較小的值標作該器件的額定電壓。選用時，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際工作電流值的2~3倍。同時，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(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)若超過允許值，會迫使雙向可控硅回復(fù)導(dǎo)通狀態(tài)，因為載流子沒有充分的時間自結(jié)上撤出，如圖3所示。

　　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(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)在以下兩個方面：

　　①dIT/dt(導(dǎo)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(fā)下導(dǎo)通，門極臨近處立即導(dǎo)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(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在嚴重的、異常的電源瞬間過程中有可能被超出或?qū)〞r的dIT/dt有可能被超出，可在負載上串聯(lián)一個幾μH的不飽和(空心)電感。