雙向可控硅

雙向可控硅的寫法

雙向可控硅介紹

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，是比較理想的交流開關(guān)器件。其英文名稱TRIAC即三端雙向交流開關(guān)之意。

參數(shù)符號

IT(AV)--通態(tài)平均電流

VRRM--反向反復(fù)峰值電壓

IDRM--斷態(tài)重復(fù)峰值電流

ITSM--通態(tài)一個周波不反復(fù)浪涌電流

VTM--通態(tài)峰值電壓

IGT--門極觸發(fā)電流

VGT--門極觸發(fā)電壓

IH--維持電流

dv/dt--斷態(tài)電壓臨界上升率

di/dt--通態(tài)電流臨界上升率

Rthjc--結(jié)殼熱阻

VISO--模塊絕緣電壓

Tjm--額定結(jié)溫

VDRM--通態(tài)反復(fù)峰值電壓

IRRM--反向重復(fù)峰值電流

IF(AV)--正向平均電流

好壞判斷

可控硅的檢測

1.單向可控硅的檢測

萬用表選用電阻R×1檔，用紅黑兩表筆分別測任意兩引腳間正反向電阻直至找出讀數(shù)為數(shù)十歐姆的一對引腳，此時黑筆接的引腳為控制極G，紅筆接的引腳為陰極K，另一空腳為陽極A。此時將黑表筆接已判斷了的陽極A，紅表筆仍接陰極K。此時萬用表指針應(yīng)不動。用短接線瞬間短接陽極A和控制極G，此時萬用表指針應(yīng)向右偏轉(zhuǎn)，阻值讀數(shù)為10歐姆左右。如陽極A接黑表筆，陰極K接紅表筆時，萬用表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說明該單向可控硅已擊穿損壞。

2.雙向可控硅的檢測

用萬用表電阻R×1檔，用紅黑兩表筆分別測任意兩引腳正反向電阻，結(jié)果其中兩組讀數(shù)為無窮大。若一組為數(shù)十歐姆時，該組紅黑表筆所接的兩引腳為陽極A1和控制極G，另一空腳即為第二陽極A2。確定A、G極后，再仔細測量A1、G極間正反向電阻，讀數(shù)相對較小的那次測量的黑表筆所接的引腳為陽極A1，紅表筆所接引腳為控制極G。將黑表筆接已確定了的第二陽極A2，紅表筆接陽極A1，此時萬用表指針應(yīng)不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，阻值為無窮大。再用短接線將A2、G極瞬間短接，給G極加上正向觸發(fā)電壓，A2、A1間阻值約為10歐姆左右。隨后斷開A2、G極短接線，萬用表讀數(shù)應(yīng)保持10歐姆左右?；Q紅黑表筆接線，紅表筆接第二陽極A2，黑表筆接陽極A1。同樣萬用表指針應(yīng)不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，阻值為無窮大。用短接線將A2、G極間再次瞬間短接，給G極加上負向的觸發(fā)電壓，A1、A2間阻值也是10歐姆左右。隨后斷開A2、G極間短接線，萬用表讀數(shù)應(yīng)不變，保持10歐姆左右。符合以上規(guī)律，說明被測雙向可控硅管未損壞且三個引腳極性判斷正確。

檢測較大功率可控硅管是地，需要在萬用表黑筆中串接一節(jié)1.5V干電池，以提高觸發(fā)電壓。

設(shè)計應(yīng)用

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(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?？煽毓璺謫蜗蚩煽毓枧c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(dāng)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(biāo)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(dāng)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(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(yán)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。

②dICOM/dt(切換電流變化率)—導(dǎo)致高dICOM/dt值的因素是:高負載電流、高電網(wǎng)頻率（假設(shè)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(jié)構(gòu)有差別。差別之一是內(nèi)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(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更為靈敏。高溫下，處于截止?fàn)顟B(tài)時，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。

門極壓降—可以選擇Vgt25度時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(dǎo)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，就會發(fā)生假觸發(fā)，導(dǎo)致雙向可控硅切換。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)域為過電流燒毀的可能。

結(jié)溫Tj的控制：為了長期可靠工作，應(yīng)保證Rthj-a足夠低，維持Tj不高于80[%]Tjmax,其值相應(yīng)于可能的環(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(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（SOT186F-pack和更新的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(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，因為擠壓可能導(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。

器件應(yīng)首先機械固定，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)計中，選用合適的參數(shù)以及與之相對應(yīng)的軟硬件設(shè)計，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，目前在工業(yè)中得到飛速的發(fā)展。

內(nèi)部電路

0引言

雙向可控硅（TRIAC）在控制交流電源控制領(lǐng)域的運用非常廣泛，如我們的日光燈調(diào)光電路、交流電機轉(zhuǎn)速控制電路等都主要是利用雙向可控硅可以雙向觸發(fā)導(dǎo)通的特點來控制交流供電電源的導(dǎo)通相位角，從而達到控制供電電流的大小[1]。然而對其工作原理和結(jié)構(gòu)的描述，以我們可以查悉的資料都只是很淺顯地提及，大部分都是對它的外圍電路的應(yīng)用和工作方式、參數(shù)的選擇等等做了比較多的描述，更進一步的--哪怕是內(nèi)部方框電路--內(nèi)容也很難找到。

由于可控硅所有的電子部件是集成在同一硅源之上，我們根本是不可能通過采用類似機械的拆卸手段來觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為了深入了解和運用可控硅，依據(jù)現(xiàn)有可查資料所給P型和N型半導(dǎo)體的分布圖，采用分離元器件--三極管、電阻和電容--來設(shè)計一款電路，使該電路在PN的連接、分布和履行的功能上完全與雙向可控硅類似，從而通過該電路來達到深入解析可控硅和設(shè)計實際運用電路的目的。

1雙向可控硅工作原理與特點

從理論上來講，雙向可控硅可以說是有兩個反向并列的單向可控硅組成，理解單向可控硅的工作原理是理解雙向可控硅工作原理的基礎(chǔ)[2-5]。

1.1單向可控硅

單向可控硅也叫晶閘管，其組成結(jié)構(gòu)圖如圖1-a所示，可以分割成四個硅區(qū)P、N、P、N和A、K、G三個接線極。把圖一按圖1-b所示切成兩半，就很容易理解成如圖1-c所示由一個PNP三極管和一個NPN三極管為主組成一個單向可控硅管。

在圖1-c的基礎(chǔ)上接通電源控制電路如圖2所示，當(dāng)陽極-陰極（A-K）接上正向電壓V后，只要柵極G接通觸發(fā)電源Vg，三極管Q2就會正向?qū)?，開通瞬間Q1只是類似于接在Q1集電極的一個負載與電源正極接通，隨后Q1也在Q2的拉電流下導(dǎo)通，此時由于C被充電，即便斷開G極的觸發(fā)電源Vg，Q1和Q2在相互作用下仍能維持導(dǎo)通狀態(tài)，只有當(dāng)電源電壓V變得相當(dāng)小之后Q1和Q2才會再次截止。

1.2雙向可控硅

相比于單向可控硅，雙向可控硅在原理上的區(qū)別就是能雙向?qū)ǎ辉儆嘘枠O陰極之分，取而代之以T1和T2，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-a所示，如果不考慮G級的不同，把它分割成圖3-b所示，可以看出相當(dāng)于兩個單向可控硅反向并聯(lián)而成[1-2]，如圖3-c所示連接。

當(dāng)T1與T2之間接通電源后，給G極正向觸發(fā)信號（相對于T1、T2所接電源負極而言），其工作原理如前面單向可控硅完全相同。當(dāng)G極接負觸發(fā)信號時，其工作過原理如圖4所示，此時Q3的基極B和發(fā)射極E處于正偏電壓而致使Q3導(dǎo)通，繼而Q1導(dǎo)通給電容C充電后致Q2導(dǎo)通并保持導(dǎo)通狀態(tài)。

1.3雙向可控硅的主要特點

雙向可控硅的英文簡稱TRIC是英文TriadACsemiconductorswitch的縮寫，其意思是三端交流半導(dǎo)體開關(guān)，目前主要用于對交流電源的控制，主要特點表現(xiàn)在能在四個象限來使可控硅觸發(fā)導(dǎo)通和保持導(dǎo)通，直到所接電源撤出或反向[6][7]。象限是T2接電源V的正極T1接電源V的負極，G觸發(fā)信號Vg的正。

第二象限是T2接電源V的正極T1接電源V的負極，G觸發(fā)信號Vg的負。

第三、四象限是T1接電源V的正極T2接電源V的負極，G觸發(fā)信號分別接Vg的正、負極。

2類雙向可控硅電路設(shè)計

在理解了前面所述雙向可控硅的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理之后，依據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用我們熟悉的晶體管來設(shè)計一種類似有雙向可控硅工作的雙向可觸發(fā)電路。如圖5所示，電路采用用7個三極管和幾個電阻組成。把圖5電路中PN結(jié)的結(jié)構(gòu)按圖6所示結(jié)構(gòu)圖描出，與圖3-a、b比較很是相似。在圖5所示電路中，內(nèi)部電流在外界所接電源的極性不同而有兩種流向，如It12和It21所示，It12流向是從P2流入經(jīng)N2-P1-N1流出，It21從P1流入經(jīng)N2-P2-N32流出；G極觸發(fā)電流Ig+由P2流入或Ig-從N31流出。下面是所設(shè)計電路在四個象限的觸發(fā)導(dǎo)通工作過程。

2.1T2接電源Vt21正極，T1接通電源Vt21負

此時當(dāng)G極接Vg+為正電壓，Q4、Q5、Q6、Q7處于反向截止，Q1的B極和E極之間無正偏壓也處于截止?fàn)顟B(tài)，Vg+由P2輸入后經(jīng)R3使Q2的B極和E極之間產(chǎn)生正偏電壓而導(dǎo)通，從而促使Q3導(dǎo)通，這時即使撤出Vg+，在電容C1的的作用下，Q2、Q3也仍然能處于導(dǎo)通狀態(tài)，只有當(dāng)Vt21先反向或撤除才重回截止。當(dāng)G極接Vg為負，Q4、Q5、Q6、Q7同樣處于反向截止?fàn)顟B(tài)，Q1的B極和E極之間因Vg產(chǎn)生正偏電壓而導(dǎo)通，從而使Q3、Q2導(dǎo)通并得以保持導(dǎo)通狀態(tài)。

2.2T1接電源Vt12正極，T2接通負電源Vt12的負極

此時G極接Vg為正，Q1因B極和E極之間處于反向偏壓而截止，Q3處于反向截止，Q2因B極和E極之間處于正向偏壓導(dǎo)通而導(dǎo)致Q4、Q7的導(dǎo)通，從而Q6、Q7導(dǎo)通并保持導(dǎo)通狀態(tài)，只有當(dāng)Vt12先反向或撤除才重回截止。當(dāng)G極接Vg為負，Q1、Q2、Q3和Q4處于反向截止，Q5的B極和E極之間因Vg而處于正偏導(dǎo)通，從而使Q6導(dǎo)通，繼而Q7、Q6導(dǎo)通并得以保持導(dǎo)通狀態(tài)。

3電路制作與實驗驗證

為了驗證所設(shè)計電路，采用比較常用的NPN三級管S8050和PNP三極管S8550來設(shè)計制作實際的測試電路板(PCB)，如圖5所示。圖6中所標(biāo)識的T2、T1和G與圖5所示的相同，也類似于雙向可控硅的T2、T1和G三個接線極。利用該模塊電路串入負載接通正或負的直流電源和觸發(fā)信號來測試，所得結(jié)果如圖7所示，在正或負觸發(fā)信號接入前電流表上的指示為0，當(dāng)正或負觸發(fā)信號接通并撤離后電流表指示依然保持原來的電流值。該實驗表明該電路在正負電源供電情況下能雙向觸發(fā)導(dǎo)通。

該模塊電路在接通交流電源和脈沖控制信號時，其測驗結(jié)果如圖8所示。示波器探針1接觸發(fā)信號，探針2接模塊電路的兩端T1-T2之間的電壓。在觸發(fā)信號為0是，T1-T2之間的電壓等于電源電壓值，表明該電路沒有導(dǎo)通，當(dāng)觸發(fā)信號脈沖到來時，T1-T2兩端的電壓值為0，表明模塊電路已經(jīng)導(dǎo)通。

4結(jié)束語

在詳細解讀了雙向可控硅的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)之上，設(shè)計了一款以7個三極管為主要元器件和電阻電容可以被雙向觸發(fā)的控制電路。利用常用的對管S8050和S8550制作出實驗電路驗證了該電路的正確性。在今后具體運用過程中可以通過對此電路的相關(guān)器件做適當(dāng)調(diào)整來滿足具體的需求和設(shè)計要求。同時，利用所設(shè)計的電路形象具體地解釋了雙向可控硅的工作原理與過程。