晶閘管和雙向可控硅應(yīng)用規(guī)則

1、-作者xxxx-日期xxxx晶閘管和雙向可控硅應(yīng)用規(guī)則【精品文檔】閘流管閘流管是一種可控制的整流管，由門極向陰極送 出微小信號(hào)電流即可觸發(fā)單向電流自陽極流向陰極。導(dǎo)通讓門極相對(duì)陰極成正極性，使產(chǎn)生門極電流，閘 流管立即導(dǎo)通。當(dāng)門極電壓達(dá)到閥值電壓 VGT，并導(dǎo) 致門極電流達(dá)到閥值 IGT，經(jīng)過很短時(shí)間 tgt（稱作門極 控制導(dǎo)通時(shí)間）負(fù)載電流從正極流向陰極。假如門極 電流由很窄的脈沖構(gòu)成，比方說 1s，它的峰值應(yīng)增 大，以保證觸發(fā)。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到閘流管的閂鎖電流值 IL 時(shí)，即使 斷開門極電流，負(fù)載電流將維持不變。只要有足夠的 電流繼續(xù)流動(dòng)，閘流管將繼續(xù)在沒有門極電流的條件 下導(dǎo)通。這種狀態(tài)稱

2、作閂鎖狀態(tài)。注意，VGT，IGT 和 IL 參數(shù)的值都是 25下的數(shù) 據(jù)。在低溫下這些值將增大，所以驅(qū)動(dòng)電路必須提供 足夠的電壓、電流振幅和持續(xù)時(shí)間，按可能遇到的、最低的運(yùn)行溫度考慮。規(guī)則 1 為了導(dǎo)通閘流管（或雙向可控硅），必須有門極電流IGT ，直至負(fù)載電流達(dá)到IL 。這條 件必須滿足，并按可能遇到的最低溫度考慮。靈敏的門極控制閘流管，如 BT150，容易在高溫下因陽極至陰極的漏電而導(dǎo)通。假如結(jié)溫 Tj 高于 Tjmax , 將達(dá)到一種狀態(tài)，此時(shí)漏電流足以觸發(fā)靈敏的閘流管 門極。閘流管將喪失維持截止?fàn)顟B(tài)的能力，沒有門極 電流觸發(fā)已處于導(dǎo)通。要避免這種自發(fā)導(dǎo)通，可采用下列解決辦法中的 一種或

3、幾種：1. 確保溫度不超過 Tjmax。2. 采用門極靈敏度較低的閘流管，如 BT151，或在 門極和陰極間串入 1k或阻值更小的電阻，降低 已有閘流管的靈敏度。3. 若由于電路要求，不能選用低靈敏度的閘流管， 可在截止周期采用較小的門極反向偏流。這措施 能增大 IL。應(yīng)用負(fù)門極電流時(shí)，特別要注意降低 門極的功率耗散。截止（換向）要斷開閘流管的電流，需把負(fù)載電流降到維持電 流 IH 之下，并歷經(jīng)必要時(shí)間，讓所有的載流子撤出 結(jié)。在直流電路中可用“強(qiáng)迫換向”，而在交流電路中則在導(dǎo)通半周終點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。（負(fù)載電路使負(fù)載電流降 到零，導(dǎo)致閘流管斷開，稱作強(qiáng)迫換向。）然后，閘流管將回復(fù)至完全截止的狀態(tài)。假如

4、負(fù)載電流不能維持在 IH 之下足夠長(zhǎng)的時(shí)間， 在陽極和陰極之間電壓再度上升之前，閘流管不能回復(fù)至完全截止的狀態(tài)。它可能在沒有外部門極電流作 用的情況下，回到導(dǎo)通狀態(tài)。注意，IH 亦在室溫下定義，和 IL 一樣，溫度高時(shí)其值減小。所以，為保證成功的切換，電路應(yīng)充許有足夠時(shí)間，讓負(fù)載電流降到 IH 之下，并考慮可能遇到的最高運(yùn)行溫度。規(guī)則 2 要斷開（切換）閘流管（或雙向可控硅），負(fù)載電流必須<IH, 并維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使能回復(fù)至截止?fàn)顟B(tài)。在可能的最高運(yùn)行溫度下必須滿足上述條件。雙向可控硅從形式上可將雙向可控硅看成兩只普通可控硅的組合，但實(shí)際上它是由 7 只晶體管和多只電阻構(gòu)成的功率集成器

5、件。從雙向可控硅的結(jié)構(gòu)看它屬于 NPNPN 五層器件。三個(gè)電極分別是 T1、T2、 G。因該器件可以雙向?qū)?，故除門極 G 以外的兩個(gè)電極統(tǒng)稱為主端子，用 T1、 T2。表示，不再劃分成陽極或陰極。其特點(diǎn)是：當(dāng) G 極和 T2 極相對(duì)于 T1 的電 壓均為正時(shí)，T2 是陽極，T1 是陰極。反之，當(dāng) G 極和 T2 極相對(duì)于 T1 的電壓 均為負(fù)時(shí)，T1 變成陽極，T2 為陰極。雙向可控硅可看作為“雙向閘流管”，因?yàn)樗茈p向?qū)ā?duì)標(biāo)準(zhǔn)的雙向可控硅，電流能沿任一方向 在主端子 T1和 T2 間流動(dòng)，用 T1 和門極端子間 的微小信號(hào)電流觸發(fā)。導(dǎo)通和閘流管不同，雙向可控硅可以用門極和 T1 間的正

6、向或負(fù)向電流觸發(fā)。（VGT，IGT 和 IL 的選擇原則 和閘流管相同，見規(guī)則1）因而能在四個(gè)“象限”觸發(fā)，如圖 4 與表1所示。雙向可控硅的伏安特性見圖5，由于正、反向特性曲線具有對(duì)稱性，所以它可在任何一個(gè)方向?qū)?。在?fù)載電流過零時(shí)，門極用直流或單極脈沖觸 發(fā)，優(yōu)先采用負(fù)的門極電流，理由如下。若運(yùn)行在第4象限，由于雙向可控硅的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，門極離主載流區(qū)域較遠(yuǎn)，導(dǎo)致下列后果：1. 高 IGT -> 需要高峰值 IG。2. 由 IG 觸發(fā)到負(fù)載電流開始流動(dòng)，兩者之間遲后時(shí)間較長(zhǎng)> 要求 IG 維持較長(zhǎng)時(shí)間。3. 低得多的 dIT/dt 承受能力>若控制負(fù)載具有高 dI/dt 值（

7、例如白熾燈的冷燈絲），門極可能發(fā)生強(qiáng)烈退化。4. 高 IL 值（第2象限工況亦如此）>對(duì)于很小的負(fù)載，若在電源半周起始點(diǎn)導(dǎo)通，可能需要較長(zhǎng)時(shí)間的 IG，才能讓負(fù)載電流達(dá)到較高的 IL。 表1雙向可控硅的四象限觸發(fā)方式導(dǎo)通方式電路原理第一象限正向觸發(fā)方式工作電壓為 T2正 T1 負(fù)，觸發(fā)電壓為 G正 T1 負(fù)。導(dǎo)通電流的方向是 T2流向 T1。我們稱這種方式為第一象限的正向觸發(fā)方式。第二象限正向觸發(fā)方式工作電壓為 T2正 T1負(fù)，觸發(fā)電壓為 G負(fù)T1 正。導(dǎo)通電流的方向是 T2流向 T1。我們稱這種方式為第二象限的負(fù)向觸發(fā)方式。第三象限正向觸發(fā)工作電壓為 T1正 T2負(fù)，觸發(fā)電壓為 G負(fù)T

8、1 正。導(dǎo)通電流的方向是 T1流向 T2。我們稱這種方式為第三象限的負(fù)向觸發(fā)方式。第四象限正向觸發(fā)方式工作電壓為 T1正 T2 負(fù)，觸發(fā)電壓為 G正 T1 負(fù)。導(dǎo)通電流的方向是 T1流向 T2。我們稱這種方式為第四象限的正向觸發(fā)方式。在標(biāo)準(zhǔn)的 AC相位控制電路中，如燈具調(diào)光器和家用電器轉(zhuǎn)速控制，門極和T2的極性始終不變。這表明，工況總是在第1象限和第3象限，這里雙向可控硅的切換參數(shù)相同。這導(dǎo)致對(duì)稱的雙向可控硅切換，門極此 時(shí)最靈敏。說明：以 1，2-，3 和 4標(biāo)志四個(gè)觸發(fā)象限，完全是為了簡(jiǎn)便，例如用第1象限取代“T2+，G+”等等。這是從雙向可控硅的 V/I 特性圖導(dǎo)出的代號(hào)。正的T2相應(yīng)正

9、電流進(jìn)入T2，相反也是（見圖 5）。實(shí)際上，工況只能存在1 和 3 象限中。上標(biāo)+和-分別表示門極輸入或輸出電流。規(guī)則 3 設(shè)計(jì)雙向可控硅觸發(fā)電路時(shí)，只要有可能，就要避開第3象限（T2-，G+）。其它導(dǎo)通方式還有一些雙向可控硅的導(dǎo)通方式是我們不希望發(fā)生的。其中有些不損傷設(shè)備，另一些則可能破壞設(shè)備。（a）電子噪聲引發(fā)門極信號(hào)在電子噪聲充斥的環(huán)境中，若干擾電壓超過 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 T1管腳（對(duì)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

10、，這些必要 的措施都是為了降低雜波的吸收。為增加對(duì)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(qū)域?yàn)檫^電流燒毀的可能。另一解決辦法，選用靈敏度型號(hào)雙向可控硅。規(guī)則 4 為減少雜波吸收，門極連線長(zhǎng)度降至最低。返回線直接連至T1（或陰極）。若用硬線，用螺旋雙線或屏蔽線。門極和T1間加電阻1k或更小。高頻旁路電容和門極間串接電阻。另一解決辦法，低靈敏度雙向可控硅。(b)超過最大切換電壓上升率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

11、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（見圖 6）。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若超過允許的 dVCOM/dt，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。高 dVCOM/dt 承受能力受二個(gè)條件影響：1. dICOM/dt 為切換時(shí)負(fù)載電流下降率。dICOM/dt 高， 則 dVCOM/dt 承受能力下降。2. 接面溫度 Tj 越高，dVCOM/dt 承受能力越下降。 假如雙向可控硅的 dVCOM/dt 的允許有可能被超過，為避免發(fā)生假觸發(fā)，可在 MT1 和 MT2 間裝置 RC緩沖電路，以此限制電

12、壓上升率。通常選用100的能承受浪涌電流的碳膜電阻，100nF 的電容。注意，緩沖電路中無論如何不能省略電阻。沒有這限流電阻，電容向雙向可控硅釋放電荷時(shí)可能形成高的 dIT/dt，在不利的切換條件下有破壞性。（c） 超出最大的切換電流變化率dICOM/dt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 。非正弦波負(fù)載電流和高 dICOM/dt的常見原因是整流供電的電感性負(fù)載。常常導(dǎo)致普通雙向可控硅切換失敗，一旦電源電壓降到負(fù)載反電勢(shì)之下，雙向可控硅電流向零跌落。該效應(yīng)見圖 7。雙向可控硅處于零電流狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電流繞著橋式整流器“空轉(zhuǎn)”。這類負(fù)

13、載產(chǎn)生的 dICOM/dt 如此之高，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。這里增加 緩沖電路并無好處，因?yàn)?dVCOM/dt 不是問題所在。增 加一個(gè)幾 mH 的 電 感 ， 和負(fù)載 串連 ，可以 限制 dICOM/dt。(d) 超出最大的斷開電壓變化率 dVD/dt規(guī)則 4.為減少雜波吸收，門極連線長(zhǎng)度降至最低。返 回線直接連至 MT1（或陰極）。若用硬線，用 螺旋雙線或屏蔽線。門極和 MT1 間加電阻 1k 或更小。高頻旁路電容和門極間串接電阻。 另一解決辦法，選用 H 系列低靈敏度雙向可控 硅。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

14、變化率，盡管不超過 VDRM（見圖 8）， 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。規(guī)則 5 若 dVD/dt 或 dVCOM/dt 可能引起問題，在 T1 和 T2 間加入 RC 緩沖電路。若高 dICOM/dt 可能引起問題，加入一幾 mH 的電 感和負(fù)載串聯(lián)。(e) 超出截止?fàn)顟B(tài)下反復(fù)電壓峰值 VDRM遇到嚴(yán)重的、異常的電源瞬間過程，T2 電壓可能超過 VDRM，此時(shí) T2 和 T1 間的漏電將達(dá)到一定程度，并使雙向可控硅自發(fā)導(dǎo)通（見圖 9）。若

15、負(fù)載允許高涌入電流通過，在硅片導(dǎo)通的小面 積上可能達(dá)到極高的局部電流密度。這可能導(dǎo)致硅片 的燒毀。白熾燈、電容性負(fù)載和消弧保護(hù)電路都可能 導(dǎo)致強(qiáng)涌入電流。由于超過 VDRM 或 dVD/dt 導(dǎo)致雙向可控硅導(dǎo)通， 這不完全威脅設(shè)備安全。而是隨之而來的 dIT/dt 很可能造成破壞。原因是，導(dǎo)通擴(kuò)散至整個(gè)結(jié)需要時(shí)間，此 時(shí)允許的 dIT/dt 值低于正常情況下用門極信號(hào)導(dǎo)通時(shí)的允許值。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。為此，可在負(fù)載上串聯(lián)一個(gè)幾H 的不飽和（空心）電感。假如上述解決方法不能接受，或不實(shí)際，可代替的方法是增加過濾和箝位電路，防止尖峰脈沖到達(dá)雙 向可

16、控硅。可能要用到金屬氧化物變阻器（MOV）， 作為“軟”電壓箝位器，跨接在電源上，MOV 上游增加電感、電容濾波電路。有些廠家懷疑，電路中采用 MOV 是否可靠，因?yàn)樗麄兊弥?，在高溫環(huán)境下MOV會(huì)失控并導(dǎo)致嚴(yán)重事故。原因是它們的工作電壓有顯著的負(fù)溫度系數(shù)。但是，假如推薦電壓等級(jí) 275V RMS 用于 230V 電源，MOV 事故的可能極其微小。選用250V RMS 往往會(huì)發(fā)生事故，對(duì)于高溫下的 230V 電源這是不夠的。規(guī)則 6 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，采用下列措施之 一：負(fù)載上串聯(lián)電感量為幾H 的不飽和電感，以 限制 dIT/dt；用 MOV

17、跨接于電源，并在電源側(cè)增加濾波電路。導(dǎo)通時(shí)的 dIT/dt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。若在 第4象限觸發(fā)，局部的機(jī)理進(jìn)一步降低 dIT/dt 的許可值。初始的、急劇的電流上升率可立即使門極進(jìn)入反向雪崩擊穿狀態(tài)。這可能不會(huì)立即導(dǎo)致破壞。反復(fù)作用下，門極-T1 結(jié)將逐步地?zé)龤?，阻值下降?表現(xiàn)為，IGT 逐步上升，直至雙向可控硅不能再觸發(fā)。 高靈敏的雙向可控硅容易受到影響。高 dIT/dt 承受能力決定于門極電流上升率

18、dIG/dt 和 峰值 IG。較高的 dIG/dt 值和峰值 IG（不超出門極功率 條件下），就有較高的 dIT/dt 承受能力。規(guī)則 7 選用好的門極觸發(fā)電路，避開第4象限工況，可以最大限度提高雙向可控硅的 dIT/dt 承受能力。前面已提到過，具有高初始涌入電流的常見負(fù)載 是白熾燈，冷態(tài)下電阻低。對(duì)于這種電阻性負(fù)載，若在電源電壓的峰值開始導(dǎo)通，dIT/dt 將具有最大值。假如這值有可能超過雙向可控硅的 dIT/dt 值，最好在負(fù)載 上串聯(lián)一只幾H 的電感加以限制，或串聯(lián)負(fù)溫度系 數(shù)的熱敏電阻。重申，電感在最大電流下不能飽和。一旦飽和，電感將跌落，再也不能限制 dIT/dt。無鐵芯 的電感符

19、合這個(gè)條件。一個(gè)更巧妙的解決辦法是采用零電壓導(dǎo)通，不必接入任何限制電流的器件。電流可以從正弦波起點(diǎn)開始逐漸上升。注意：應(yīng)該提醒，零電壓導(dǎo)通只能用在電阻性負(fù) 載。對(duì)于電感性負(fù)載，由于電壓和電流間存在相位 差，使用這方法會(huì)引起“半波”或單極導(dǎo)通，可能使電感性負(fù)載飽和，導(dǎo)致破壞性的高峰電流，以及過熱。這種場(chǎng)合，更先進(jìn)的控制技術(shù)采用零電流切換或變相位角觸發(fā)。規(guī)則 8 若雙向可控硅的 dIT/dt 有可能被超出，負(fù)載上最好串聯(lián)一個(gè)幾H的無鐵芯電感或負(fù)溫度系 數(shù)的熱敏電阻。另一種解決辦法：對(duì)電阻性負(fù)載采用零電壓導(dǎo)通。斷開由于雙向可控硅用于交流電路，自然在負(fù)載電流每個(gè)半周的終點(diǎn)斷開，除非門極電流設(shè)置為后半周

20、起點(diǎn)導(dǎo)通。對(duì) IH 的規(guī)則和閘流管相同，見規(guī)則 2。雙向可控硅按裝方法對(duì)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。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(chǎng)合下，鉚接不是一種推薦的方法。夾子壓接這是推薦的方法，熱阻最小。夾子對(duì)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

21、固定1. 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(duì)器 件的塑料體施加任何力量。2.安裝過程中，螺絲刀決不能對(duì)器件塑料體施加任何力量。3.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 。4.安裝力矩（帶墊圈）應(yīng)在 0.55Nm 和 之 間。5.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（見上面第 3 點(diǎn)）。安裝力矩?zé)o法控制，也是這 種安裝方法的缺點(diǎn)。6.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。鉚接除非十分小心，鉚接不是推薦的安裝方法，因?yàn)檫@種操作中可能產(chǎn)生很大的力，可能

22、使接口變形，晶 片裂紋，器件損壞。假如要采用鉚接，為了減少廢品，必須遵守下列規(guī)則：1.散熱器必須為器件提供一個(gè)平整、光潔的表面。2.散熱器安裝孔的直徑不要比器件接頭片安裝孔的直徑大。3.鉚釘應(yīng)和接頭片孔有間隙，而和散熱器安裝孔無間隙。4.器件接口片一側(cè)應(yīng)是鉚釘頭，而不是心軸。5.鉚釘和接口應(yīng)成 90 度（鉚釘頭在整個(gè)園周上和接 口片相接觸）。6.鉚接后，鉚釘頭不接觸器件的塑料體。7.先把器件固定，散熱器裝上印刷線路板，然后焊 接引線。這可把引線的應(yīng)力降到最小。規(guī)則 9.器件固定到散熱器時(shí)，避免讓雙向可控硅受到應(yīng)力。固定，然后焊接引線。不要把鉚釘芯軸放在器件接口片一側(cè)。熱阻熱阻 Rth 是限制熱

23、流自結(jié)散出的熱阻。熱阻和電阻 是相似的概念。如同電阻公式 R=V/I，有相應(yīng)的熱阻 公式 Rth =T/P，這里 T 是溫升，以 K（Kelvin）為單位；P 是功率耗散，以 W 為單位；因此 Rth 的單位為 K/W。對(duì)于垂直安裝在大氣中的器件，熱阻決定于結(jié)至 環(huán)境 熱阻 Rth j-a 。對(duì)SOT82 組 件的典 型數(shù)據(jù) 是100K/W，對(duì) SOT78 組件是 60K/W，而對(duì)絕緣的 F- pack 和 X-pack 為 55K/W。對(duì)于安裝在散熱器上的非絕緣器件，結(jié)至環(huán)境熱阻是個(gè)總值由結(jié)至安裝基面熱阻、安裝基面至散熱器熱阻和散熱器至環(huán)境熱阻相加。Rth j-a= Rth j-mb + Rth mb-h+ Rth h-a (非絕緣組件) 在器件和散熱器之間加入導(dǎo)熱添加劑或薄片，是一種推薦的方法。絕緣組件采用這種安裝方法時(shí)，安裝基面不再是一種基準(zhǔn)，因?yàn)?Rth mb-h 成為一常數(shù)，是采用導(dǎo)熱添加劑的最佳值。所以，結(jié)至環(huán)境熱阻是結(jié)至散熱器和散熱器至環(huán)境兩熱阻之和。Rth j-a = Rth j-h + Rth h-a （絕緣組件）Rth j-mb 和 Rth j-h 是確定的，對(duì)每一器件的數(shù)據(jù)可在其資 料中查到。Rth mb-h 可在安裝手冊(cè)中查