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雙向可控硅設(shè)計(jì)指要

發(fā)布時(shí)間:2013-05-28 責(zé)任編輯:lynn

【導(dǎo)讀】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(jì)指要。



雙向可控硅可被認(rèn)為是一對(duì)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(gè)主電極T1和T2,一個(gè)門極G,門極使器件在主電極的正反兩個(gè)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(duì)稱的伏安特性。雙向可控硅門極加正、負(fù) 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
圖1 雙向可控硅結(jié)構(gòu)及等效電路

雙向可控硅應(yīng)用

為了正常的使用雙向可控硅,需定量掌握其主要參數(shù),對(duì)雙向可控硅進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x用并采取相應(yīng)措施以達(dá)到各參數(shù)要求。

耐壓級(jí)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(shí),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(guò)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(lái)表示它的額定電流值。由于可控硅的過(guò)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(shí)際工作電流值的2~3倍。同時(shí),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(shí)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(shí)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(gè)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(huì)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(huì)出現(xiàn)等效電流,這個(gè)電流就會(huì)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
圖2 雙向可控硅等效示意圖

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通常發(fā)生實(shí)質(zhì)性的相位移動(dòng)。當(dāng)負(fù)載電流過(guò)零時(shí)雙向可控硅發(fā)生切換,由于相位差電壓并不為零。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(dVCOM/dt)若超過(guò)允許值,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(méi)有充分的時(shí)間自結(jié)上撤出,如圖3所示。

圖3切換時(shí)的電流及電壓變化
圖3 切換時(shí)的電流及電壓變化

高dVCOM/dt承受能力受二個(gè)條件影響


dICOM/dt—切換時(shí)負(fù)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(guò),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(guò)程中主電流過(guò)零反向后迅速由反向峰值恢復(fù)至零電流,此過(guò)程可在元件兩端產(chǎn)生達(dá)正常工作峰值電壓5-6倍的尖峰電壓。一般建議盡可能靠近元件本身的地方接上阻容吸收回路。

斷開(kāi)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(guò)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(wèn)題,T1 和T2 間(或陽(yáng)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(gè)方面:

①dIT/dt(導(dǎo)通時(shí)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(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(guò)高的dIT/dt可能導(dǎo)致局部燒毀,并使T1-T2 短路。假如過(guò)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(guò)程中有可能被超出或 導(dǎo)通時(shí)的dIT/dt有可能被超出,可在負(fù)載上串聯(lián)一個(gè)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(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,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(shí)不大的dV/dt,加入一幾mH的電感和負(fù)載串聯(lián),可以限制dICOM/dt。

使用雙向可控硅的好處

為了解決高dv/dt及di/dt引起的問(wèn)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(gè)“閘流管”分隔得更好,減少了互相的影響。這帶來(lái)下列好處:

①高dVCOM/dt。能控制電抗性負(fù)載,在很多場(chǎng)合下不需要緩沖電路,保證無(wú)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,不需要在負(fù)載上串聯(lián)電感以限制dICOM/dt。

③高dvD/dt(斷開(kāi)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(shí),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(fù)載,例如廚房和取暖電器,而傳統(tǒng)的雙向可控硅則不能用。



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