晶闸管和双向可控硅应用规则(9页).doc

-晶闸管和双向可控硅应用规则-第 9 页闸流管闸流管是一种可控制的整流管，由门极向阴极送 出微小信号电流即可触发单向电流自阳极流向阴极。导通让门极相对阴极成正极性，使产生门极电流，闸 流管立即导通。当门极电压达到阀值电压 VGT，并导 致门极电流达到阀值 IGT，经过很短时间 tgt（称作门极 控制导通时间）负载电流从正极流向阴极。假如门极 电流由很窄的脉冲构成，比方说 1s，它的峰值应增 大，以保证触发。当负载电流达到闸流管的闩锁电流值 IL 时，即使 断开门极电流，负载电流将维持不变。只要有足够的 电流继续流动，闸流管将继续在没有门极电流的条件 下导通。这种状态称作闩锁状态。注意，VGT，IGT 和 IL 参数的值都是 25下的数 据。在低温下这些值将增大，所以驱动电路必须提供 足够的电压、电流振幅和持续时间，按可能遇到的、最低的运行温度考虑。规则 1 为了导通闸流管（或双向可控硅），必须有门极电流IGT ，直至负载电流达到IL 。这条 件必须满足，并按可能遇到的最低温度考虑。灵敏的门极控制闸流管，如 BT150，容易在高温下因阳极至阴极的漏电而导通。假如结温 Tj 高于 Tjmax , 将达到一种状态，此时漏电流足以触发灵敏的闸流管 门极。闸流管将丧失维持截止状态的能力，没有门极 电流触发已处于导通。要避免这种自发导通，可采用下列解决办法中的 一种或几种：1. 确保温度不超过 Tjmax。2. 采用门极灵敏度较低的闸流管，如 BT151，或在 门极和阴极间串入 1k或阻值更小的电阻，降低 已有闸流管的灵敏度。3. 若由于电路要求，不能选用低灵敏度的闸流管， 可在截止周期采用较小的门极反向偏流。这措施 能增大 IL。应用负门极电流时，特别要注意降低 门极的功率耗散。截止（换向）要断开闸流管的电流，需把负载电流降到维持电 流 IH 之下，并历经必要时间，让所有的载流子撤出 结。在直流电路中可用“强迫换向”，而在交流电路中则在导通半周终点实现。（负载电路使负载电流降 到零，导致闸流管断开，称作强迫换向。）然后，闸流管将回复至完全截止的状态。假如负载电流不能维持在 IH 之下足够长的时间， 在阳极和阴极之间电压再度上升之前，闸流管不能回复至完全截止的状态。它可能在没有外部门极电流作 用的情况下，回到导通状态。注意，IH 亦在室温下定义，和 IL 一样，温度高时其值减小。所以，为保证成功的切换，电路应充许有足够时间，让负载电流降到 IH 之下，并考虑可能遇到的最高运行温度。规则 2 要断开（切换）闸流管（或双向可控硅），负载电流必须<IH, 并维持足够长的时间，使能回复至截止状态。在可能的最高运行温度下必须满足上述条件。双向可控硅从形式上可将双向可控硅看成两只普通可控硅的组合，但实际上它是由 7 只晶体管和多只电阻构成的功率集成器件。从双向可控硅的结构看它属于 NPNPN 五层器件。三个电极分别是 T1、T2、 G。因该器件可以双向导通，故除门极 G 以外的两个电极统称为主端子，用 T1、 T2。表示，不再划分成阳极或阴极。其特点是：当 G 极和 T2 极相对于 T1 的电 压均为正时，T2 是阳极，T1 是阴极。反之，当 G 极和 T2 极相对于 T1 的电压 均为负时，T1 变成阳极，T2 为阴极。双向可控硅可看作为“双向闸流管”，因为它能双向导通。对标准的双向可控硅，电流能沿任一方向 在主端子 T1和 T2 间流动，用 T1 和门极端子间 的微小信号电流触发。导通和闸流管不同，双向可控硅可以用门极和 T1 间的正向或负向电流触发。（VGT，IGT 和 IL 的选择原则 和闸流管相同，见规则1）因而能在四个“象限”触发，如图 4 与表1所示。双向可控硅的伏安特性见图5，由于正、反向特性曲线具有对称性，所以它可在任何一个方向导通。在负载电流过零时，门极用直流或单极脉冲触 发，优先采用负的门极电流，理由如下。若运行在第4象限，由于双向可控硅的内部结构，门极离主载流区域较远，导致下列后果：1. 高 IGT -> 需要高峰值 IG。2. 由 IG 触发到负载电流开始流动，两者之间迟后时间较长> 要求 IG 维持较长时间。3. 低得多的 dIT/dt 承受能力>若控制负载具有高 dI/dt 值（例如白炽灯的冷灯丝），门极可能发生强烈退化。4. 高 IL 值（第2象限工况亦如此）>对于很小的负载，若在电源半周起始点导通，可能需要较长时间的 IG，才能让负载电流达到较高的 IL。 表1双向可控硅的四象限触发方式导通方式电路原理第一象限正向触发方式工作电压为 T2正 T1 负，触发电压为 G正 T1 负。导通电流的方向是 T2流向 T1。我们称这种方式为第一象限的正向触发方式。第二象限正向触发方式工作电压为 T2正 T1负，触发电压为 G负T1 正。导通电流的方向是 T2流向 T1。我们称这种方式为第二象限的负向触发方式。第三象限正向触发工作电压为 T1正 T2负，触发电压为 G负T1 正。导通电流的方向是 T1流向 T2。我们称这种方式为第三象限的负向触发方式。第四象限正向触发方式工作电压为 T1正 T2 负，触发电压为 G正 T1 负。导通电流的方向是 T1流向 T2。我们称这种方式为第四象限的正向触发方式。在标准的 AC相位控制电路中，如灯具调光器和家用电器转速控制，门极和T2的极性始终不变。这表明，工况总是在第1象限和第3象限，这里双向可控硅的切换参数相同。这导致对称的双向可控硅切换，门极此 时最灵敏。说明：以 1，2-，3 和 4标志四个触发象限，完全是为了简便，例如用第1象限取代“T2+，G+”等等。这是从双向可控硅的 V/I 特性图导出的代号。正的T2相应正电流进入T2，相反也是（见图 5）。实际上，工况只能存在1 和 3 象限中。上标+和-分别表示门极输入或输出电流。规则 3 设计双向可控硅触发电路时，只要有可能，就要避开第3象限（T2-，G+）。其它导通方式还有一些双向可控硅的导通方式是我们不希望发生的。其中有些不损伤设备，另一些则可能破坏设备。（a）电子噪声引发门极信号在电子噪声充斥的环境中，若干扰电压超过 VGT，并有足够的门极电流，就会发生假触发，导致双向可控 硅切换。第一条防线是降低临近空间的杂波。门极接线越短越好，并确保门极驱动电路的共用返回线直接 连接到 T1管脚（对闸流管是阴极）。若门极接线是硬线，可采用螺旋双线，或干脆用屏蔽线，这些必要 的措施都是为了降低杂波的吸收。为增加对电子噪声的抵抗力，可在门极和 T1 之 间串入 1k或更小的电阻，以此降低门极的灵敏度。 假如已采用高频旁路电容，建议在该电容和门极间加入电阻，以降低通过门极的电容电流的峰值，减少双向可控硅门极区域为过电流烧毁的可能。另一解决办法，选用灵敏度型号双向可控硅。规则 4 为减少杂波吸收，门极连线长度降至最低。返回线直接连至T1（或阴极）。若用硬线，用螺旋双线或屏蔽线。门极和T1间加电阻1k或更小。高频旁路电容和门极间串接电阻。另一解决办法，低灵敏度双向可控硅。(b)超过最大切换电压上升率dVCOM/dt驱动高电抗性的负载时，负载电压和电流的波形 间通常发生实质性的相位移动。当负载电流过零时，双向可控硅发生切换，由于相位差电压并不为零（见图 6）。这时双向可控硅须立即阻断该电压。产生的切换电压上升率若超过允许的 dVCOM/dt，会迫使双向可控硅回复导通状态。因为载流子没有充分的时间自结上撤出。高 dVCOM/dt 承受能力受二个条件影响：1. dICOM/dt 为切换时负载电流下降率。dICOM/dt 高， 则 dVCOM/dt 承受能力下降。2. 接面温度 Tj 越高，dVCOM/dt 承受能力越下降。 假如双向可控硅的 dVCOM/dt 的允许有可能被超过，为避免发生假触发，可在 MT1 和 MT2 间装置 RC缓冲电路，以此限制电压上升率。通常选用100的能承受浪涌电流的碳膜电阻，100nF 的电容。注意，缓冲电路中无论如何不能省略电阻。没有这限流电阻，电容向双向可控硅释放电荷时可能形成高的 dIT/dt，在不利的切换条件下有破坏性。（c） 超出最大的切换电流变化率dICOM/dt导致高dICOM/dt 值的因素是，高负载电流、高电 网频率（假设正弦波电流）或者非正弦波负载电流 。非正弦波负载电流和高 dICOM/dt的常见原因是整流供电的电感性负载。常常导致普通双向可控硅切换失败，一旦电源电压降到负载反电势之下，双向可控硅电流向零跌落。该效应见图 7。双向可控硅处于零电流状态时，负载电流绕着桥式整流器“空转”。这类负载产生的 dICOM/dt 如此之高，使双向可控硅甚至不 能支持 50Hz 波形由零上升时不大的 dV/dt。这里增加 缓冲电路并无好处，因为 dVCOM/dt 不是问题所在。增 加一个几 mH 的 电 感 ， 和负载 串连 ，可以 限制 dICOM/dt。(d) 超出最大的断开电压变化率 dVD/dt规则 4.为减少杂波吸收，门极连线长度降至最低。返 回线直接连至 MT1（或阴极）。若用硬线，用 螺旋双线或屏蔽线。门极和 MT1 间加电阻 1k 或更小。高频旁路电容和门极间串接电阻。 另一解决办法，选用 H 系列低灵敏度双向可控 硅。若截止的双向可控硅上（或门极灵敏的闸流管） 作用很高的电压变化率，尽管不超过 VDRM（见图 8）， 电容性内部电流能产生足够大的门极电流，并触发器件导通。门极灵敏度随温度而升高。假如发生这样的问题，T1 和 T2 间（或阳极和 阴极间）应该加上 RC 缓冲电路，以限制 dVD/dt。规则 5 若 dVD/dt 或 dVCOM/dt 可能引起问题，在 T1 和 T2 间加入 RC 缓冲电路。若高 dICOM/dt 可能引起问题，加入一几 mH 的电 感和负载串联。(e) 超出截止状态下反复电压峰值 VDRM遇到严重的、异常的电源瞬间过程，T2 电压可能超过 VDRM，此时 T2 和 T1 间的漏电将达到一定程度，并使双向可控硅自发导通（见图 9）。若负载允许高涌入电流通过，在硅片导通的小面 积上可能达到极高的局部电流密度。这可能导致硅片 的烧毁。白炽灯、电容性负载和消弧保护电路都可能 导致强涌入电流。由于超过 VDRM 或 dVD/dt 导致双向可控硅导通， 这不完全威胁设备安全。而是随之而来的 dIT/dt 很可能造成破坏。原因是，导通扩散至整个结需要时间，此 时允许的 dIT/dt 值低于正常情况下用门极信号导通时的允许值。假如过程中限制 dIT/dt 到一较低的值，双向可控硅可能可以幸存。为此，可在负载上串联一个几H 的不饱和（空心）电感。假如上述解决方法不能接受，或不实际，可代替的方法是增加过滤和箝位电路，防止尖峰脉冲到达双 向可控硅。可能要用到金属氧化物变阻器（MOV）， 作为“软”电压箝位器，跨接在电源上，MOV 上游增加电感、电容滤波电路。有些厂家怀疑，电路中采用 MOV 是否可靠，因为他们得知，在高温环境下MOV会失控并导致严重事故。原因是它们的工作电压有显著的负温度系数。但是，假如推荐电压等级 275V RMS 用于 230V 电源，MOV 事故的可能极其微小。选用250V RMS 往往会发生事故，对于高温下的 230V 电源这是不够的。规则 6 假如双向可控硅的VDRM 在严重的、异常的电源瞬间过程中有可能被超出，采用下列措施之 一：负载上串联电感量为几H 的不饱和电感，以 限制 dIT/dt；用 MOV 跨接于电源，并在电源侧增加滤波电路。导通时的 dIT/dt当双向可控硅或闸流管在门极电流触发下导通 ，门极临近处立即导通，然后迅速扩展至整个有效面 积。这迟后的时间有一个极限，即负载电流上升率的许可值。过高的 dIT/dt 可能导致局部烧毁，并使 T1-T2 短路。若在 第4象限触发，局部的机理进一步降低 dIT/dt 的许可值。初始的、急剧的电流上升率可立即使门极进入反向雪崩击穿状态。这可能不会立即导致破坏。反复作用下，门极-T1 结将逐步地烧毁，阻值下降。 表现为，IGT 逐步上升，直至双向可控硅不能再触发。 高灵敏的双向可控硅容易受到影响。高 dIT/dt 承受能力决定于门极电流上升率 dIG/dt 和 峰值 IG。较高的 dIG/dt 值和峰值 IG（不超出门极功率 条件下），就有较高的 dIT/dt 承受能力。规则 7 选用好的门极触发电路，避开第4象限工况，可以最大限度提高双向可控硅的 dIT/dt 承受能力。前面已提到过，具有高初始涌入电流的常见负载 是白炽灯，冷态下电阻低。对于这种电阻性负载，若在电源电压的峰值开始导通，dIT/dt 将具有最大值。假如这值有可能超过双向可控硅的 dIT/dt 值，最好在负载 上串联一只几H 的电感加以限制，或串联负温度系 数的热敏电阻。重申，电感在最大电流下不能饱和。一旦饱和，电感将跌落，再也不能限制 dIT/dt。无铁芯 的电感符合这个条件。一个更巧妙的解决办法是采用零电压导通，不必接入任何限制电流的器件。电流可以从正弦波起点开始逐渐上升。注意：应该提醒，零电压导通只能用在电阻性负 载。对于电感性负载，由于电压和电流间存在相位 差，使用这方法会引起“半波”或单极导通，可能使电感性负载饱和，导致破坏性的高峰电流，以及过热。这种场合，更先进的控制技术采用零电流切换或变相位角触发。规则 8 若双向可控硅的 dIT/dt 有可能被超出，负载上最好串联一个几H的无铁芯电感或负温度系 数的热敏电阻。另一种解决办法：对电阻性负载采用零电压导通。断开由于双向可控硅用于交流电路，自然在负载电流每个半周的终点断开，除非门极电流设置为后半周起点导通。对 IH 的规则和闸流管相同，见规则 2。双向可控硅按装方法对负载小，或电流持续时间短（小于 1 秒钟）的 双向可控硅，可在自由空间工作。但大部分情况下， 需要安装在散热器或散热的支架上。双向可控硅固定到散热器的主要方法有三种，夹子压接、螺栓固定和铆接。前二种方法的安装工具很 容易取得。很多场合下，铆接不是一种推荐的方法。夹子压接这是推荐的方法，热阻最小。夹子对器件的塑封 施 加压力 。这 同样适 用于 非绝缘 封装 （ SOT82 和 SOT78 ）和 绝缘封 装（ SOT186 F-pack 和更 新的 SOT186A X-pack）。注意：SOT78 就是 TO220AB。螺栓固定1. SOT78 组件带有M3成套安装零件，包括矩形垫圈，垫圈放在螺栓头和接头片之间。应该不对器 件的塑料体施加任何力量。2.安装过程中，螺丝刀决不能对器件塑料体施加任何力量。3.和接头片接触的散热器表面应处理，保证平坦，10mm 上允许偏差 。4.安装力矩（带垫圈）应在 0.55Nm 和 之 间。5.应避免使用自攻丝螺钉，因为挤压可能导致安装孔周围的隆起，影响器件和散热器之间的热接触（见上面第 3 点）。安装力矩无法控制，也是这 种安装方法的缺点。6.器件应首先机械固定，然后焊接引线。这可减少引线的不适当应力。铆接除非十分小心，铆接不是推荐的安装方法，因为这种操作中可能产生很大的力，可能使接口变形，晶 片裂纹，器件损坏。假如要采用铆接，为了减少废品，必须遵守下列规则：1.散热器必须为器件提供一个平整、光洁的表面。2.散热器安装孔的直径不要比器件接头片安装孔的直径大。3.铆钉应和接头片孔有间隙，而和散热器安装孔无间隙。4.器件接口片一侧应是铆钉头，而不是心轴。5.铆钉和接口应成 90 度（铆钉头在整个园周上和接 口片相接触）。6.铆接后，铆钉头不接触器件的塑料体。7.先把器件固定，散热器装上印刷线路板，然后焊 接引线。这可把引线的应力降到最小。规则 9.器件固定到散热器时，避免让双向可控硅受到应力。固定，然后焊接引线。不要把铆钉芯轴放在器件接口片一侧。热阻热阻 Rth 是限制热流自结散出的热阻。热阻和电阻 是相似的概念。如同电阻公式 R=V/I，有相应的热阻 公式 Rth =T/P，这里 T 是温升，以 K（Kelvin）为单位；P 是功率耗散，以 W 为单位；因此 Rth 的单位为 K/W。对于垂直安装在大气中的器件，热阻决定于结至 环境 热阻 Rth j-a 。对SOT82 组 件的典 型数据 是100K/W，对 SOT78 组件是 60K/W，而对绝缘的 F- pack 和 X-pack 为 55K/W。对于安装在散热器上的非绝缘器件，结至环境热阻是个总值由结至安装基面热阻、安装基面至散热器热阻和散热器至环境热阻相加。Rth j-a= Rth j-mb + Rth mb-h+ Rth h-a (非绝缘组件) 在器件和散热器之间加入导热添加剂或薄片，是一种推荐的方法。绝缘组件采用这种安装方法时，安装基面不再是一种基准，因为 Rth mb-h 成为一常数，是采用导热添加剂的最佳值。所以，结至环境热阻是结至散热器和散热器至环境两热阻之和。Rth j-a = Rth j-h + Rth h-a （绝缘组件）Rth j-mb 和 Rth j-h 是确定的，对每一器件的数据可在其资 料中查到。Rth mb-h 可在安装手册中查到，根据是绝缘安装还是非绝缘安装，是否添加导热添加剂。Rth h-a 决定于散热器尺寸和空气自由流动的程度。散热器尺寸计算对给定的双向可控硅和负载电流，要计算需要的 散热器热阻，首先要根据下列公式确定双向可控硅的 功率耗散：P=Vo × IT(AVE) + RS × I2拐点电压 Vo 和斜率电阻 RS 可从 SC03 手册的 VT 图取 得。若数据没有直接列出，可通过作图取得。对最大 VT 曲线作一切线，切线和 VT 轴线的交点给出 Vo 值，切 线斜率（VT/IT）给出 RS。应用前面的热阻公式： Rth j-a=T/P在最高环境温度下，结温 Tj 升至最高允许结温Tjmax，由此得出结温最大允许提升值。这提供温升 T。根据选定的安装方法，SC03 手册提供 Rth j-mb Rth mb-h 数据。应用前面的热阻公式 Rth j-a= Rth j-mb + Rth mb-h+ Rth h-a ，可最后求得散热器热阻 Rth h-a 。热阻抗前面的热阻计算只适用于稳定状态，即过程时间 大于 1 秒。这条件下，热量才有足够的时间从结传送到散热器。对持续时间短于 1 秒的电流脉冲或瞬间过 程，散热器的效果大为减弱。热量只在器件内部扩 散，很少传到散热器。对于这种瞬间过程，结的温升 决定于结至安装基面的热阻抗 Zth j-mb 。随着电流脉冲持续时间减小，Zth j-mb 下降，因为芯片加热减少。假如持续时间增大，接近 1 秒，Zth j-mb 增大至稳定状态的热阻值 Rth j-mb。手册 SC03 提供每种器件的 Zth j-mb 曲线，适用于持 续时间低至 10s 的双向或单向的电流。规则 10 为了长期可靠工作，应保证 Rth j-a 足够低，维 持 Tj 不高于 Tjmax ,其值相应于可能的最高环境温度。