1、ApplicationNote閘流管和雙向可控硅-成功應用的十條黃金規則ANI0I2IPhilipsSemiconductorsPHILIPSPhilipsSemiconductors閘流管和雙向可控硅-成功應用的十條黃金規則 ApplicationNoteAN10121ApplicationNote閘流管和雙向可控硅成功應用的十條黃金規則ANI0I2AuthorNickHamNumberofpages:12Date:2002JanII2002KoiwikUjkePluHpsElectronicsN.V.Alllightsarereserved.Reproductioninwholeoiiii

2、partisproliibitedwithouttliepriorwrittenconsentoftliecopyrightowner.Tlieinformationpresentedintliisdocumentdoesnotformpaitofanyquotationorcontract,isbelievedtobeaccurateandreliableandmaybechangedwithoutnotice.Noliabilitywillbeacceptedbythepublisherforanyrconsequenceofitsuse.Publicationtliereofdoesno

3、tconveynoiimplyanylicenseundeupatent-orotlierindustrialorintellectualpiropertyrights.PhilipsSemiconductors閘流管和雙向可控硅-成功應用的十條黃金規則 ApplicationNoteAN10121PhilipsSemiconductors閘流管和雙向可控硅-成功應用的十條黃金規則 #PhilipsSemiconductors閘流管和雙向可控硅-成功應用的十條黃金規則 正向電庇雪崩慣穿這篇技術文獻的目標是提供有趣的、描述性的.實際的介紹，幫助讀者在功率控制方而成功應用閘流管和雙向可控硅，提出指

4、導工作的I條黃金規則。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電流即可觸發單向電流rI陽極流向陰極圖1.Thyristor（閘流管）正問電流反向電圧反向特性線截止反向電流圖2閘流管V/I特性曲線導通讓門極相對陰極成止極性，使產生門極電流，閘流管立即導通。當門極電壓達到閥值電壓vGT,并導致門極電流達到閥值Igt，經過很短時間如（稱作門極控制導通時間）負載電流從正極流向陰極。假如門極電流由很窄的脈沖構成，比方說lus,它的峰值應增大，以保證觸發。當負載電流達到閘流管的閂鎖電流值II時，即使斷開門極電流，負載電流將維持不變。只要有足夠的電流繼續流動，閘流管將繼續在沒有門極電流的條

5、件下導通。這種狀態稱作閂鎖狀態。注意，Vgt，Igt和k參數的值都是25C下的數據。在低溫下這些值將增大，所以驅動電路必須提供足夠的電壓、電流振幅和持續時間，按可能遇到的.最低的運行溫度考慮。規則1為了導通閘流管（或雙向可控硅），必須有門極電流MIgt，直至負載電流達到MIl。這條件必須滿足，并按可能遇到的最低溫度考慮a靈緻的門極控制閘流省;，如BT150,容易在髙溫下因陽極至陰極的漏電而導通。假如結溫h高于Tg,將達到一種狀態，此時漏電流足以觸發靈敏的閘流管門極。閘流管將喪失維持截止狀態的能力，沒有門極電流觸發已處于導通。要避免這種口發導通，可采用下列解決辦法中的一種或兒種：確保溫度不超過采

6、用門極靈敏度較低的閘流管，如BT151,或在門極和陰極間串入lkQ或阻值更小的電阻，降低已有閘流管的靈敏度。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Ilo應用負門極電流時，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，需把負載電流降到維持電流L之下，并歷經必要時間，讓所有的載流子撤出結。在直流電路中可用“強迫換向”,而在交流電路中則在導通半周終點實現。（負載電路使負載電流降到零，導致閘流管斷開，稱作強迫換向。）然后，閘流管將回復至完全截止的狀態。假如負載電流不能維持在Ih之下足夠長的時間，在陽極和陰極之間電壓再度上升之前，閘流管

7、不能回復至完全截止的狀態。它可能在沒有外部門極電流作用的情況下，回到導通狀態。注意，Ih亦在室溫下定義，和II一樣，溫度高時其值減小。所以，為保證成功的切換，電路應充許有足夠時間，讓負載電流降到Ih之下，并考慮可能遇到的最高運行溫度。規則2要斷開（切換）閘流管（或雙向可控硅），負載電流必須5,并維持足夠長的時間,使能回復至截止狀態。任可能的最髙運行溫度下必須滿足上述條件。雙向可控硅雙向可控硅可看作為“雙向閘流管”，因為它能雙向導通。對標準的雙向可控硅，電流能沿任一方向在主端子MT1和MT2間流動，用MT1和門極端子間的微小信號電流觸發。PhilipsSemiconductors閘流管和雙向可控

8、硅-成功應用的十條黃金規則 ApplicationNoteAN10121PhilipsSemiconductors閘流管和雙向可控硅-成功應用的十條黃金規則 #PhilipsSemiconductors閘流管和雙向可控硅-成功應用的十條黃金規則 #MT2MT19圖3Triac（雙向可控硅）導通和閘流管不同，雙向可控硅可以用門極和HT1間的止向或負向電流觸發。（VGT,IGT和II的選擇原則和閘流管相同，見規則1）I大I而能在四個“彖限”觸發，如圖4所示。VMT24MT2*Ml2*nIGJMT,1-1*MT13MT23+MT2-XI一oJQ.MT1MT1圖4.雙向可控硅觸發象限OUAOHAVT2

9、,導通狀態OUADKANTT2+反向l-.正向電壓h/電壓1、1H*1阻斷狀態LnQUADHAKT反向OUADKANT31電流4圖5雙向可控硅WI特性曲線在負載電流過零時，門極用直流或單極脈沖觸發，優先采用負的門極電流，理由如下。若運行在3-象限，由于或向可控硅的內部結構，門極離主載流區域較遠，導致下列后果：1.髙Igt-需要高峰值Ig。由Ig觸發到負載電流開始流動，兩者之間遲后時間較長-要求Ig維持較長時間。低得多的dIT/dt承受能力一若控制負載具有高dl/dt值（例如白熾燈的冷燈絲），門極可能發生強烈退化.高II值（廣工況亦如此）一對于很小的負載，若在電源半周起始點導通，可能需要較長時間

10、的Ig，才能讓負載電流達到較髙的II。在標準的AC相位控制電路中，如燈具調光器和家用電器轉速控制，門極和MT2的極性始終不變。這表明，工況總是在和3象限，這里雙向可控硅的切換參數相同。這導致對稱的雙向可控硅切換，門極此時最靈敏。說明:以ir,3和3標志四個觸發象限,完全是為了簡便,例如用取代“MT2G等等。這是從雙向可控硅的71特性圖導出的代號。止的MT2相應止電流進入MT2.相反也是（見圖5）o實際上，工況只能存在1和3象限中。上標+和-分別表示門極輸入或輸出電流。規則3.設計雙向可控硅觸發電路時,只要有可能,就要避開3象限（WT2G+）,其它導通方式還有一些雙向可控硅的導通方式是我們不希望

11、發生的。其中有些不損傷設備，另一些則可能破壞設備。（a）電子噪聲引發門極信號在電子噪聲充斥的環境中，若干擾電壓超過Vgt，并有足夠的門極電流，就會發生假觸發，導致雙向可控硅切換。第一條防線是降低臨近空間的雜波。門極接線越短越好，并確保門極驅動電路的共用返回線直接連接到MTI管腳（對閘流管是陰極）o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MT1之間串入lkQ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邯值，減少雙向可控硅門極區域為過電流燒毀的

12、可能。另一解決辦法，選用H系列的雙向可控硅（例如.BT139-600H）o這些是低靈敏度型號，規格10mAminIgt，專為增強抗干擾能力所設計。PhilipsSemiconductors閘流管和雙向可控硅-成功應用的十條黃金規則 ApplicationNoteAN10121PhilipsSemiconductors閘流管和雙向可控硅-成功應用的十條黃金規則 #PhilipsSemiconductors閘流管和雙向可控硅-成功應用的十條黃金規則 #規則4.為減少雜波吸收,門極連線長度降至最低。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lkQ或更小。髙頻旁

13、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。（b）超過最大切換電壓上升率dVcoM/dt驅動高電抗性的負載時，負載電壓和電流的波形間通常發生實質性的相位移動。當負載電流過零時雙向可控硅發生切換，由于相位差電壓并不為零（見圖6）這時雙向可控硅須立即阻斷該電壓。產生的切換電壓上升率若超過允許的dVcoM/dt.會迫使雙向可控硅回復導通狀態。因為載流子沒有充分的時間口結上撤出。髙dVcoEt承受能力受二個條件影響：dlcoM/dt為切換時負載電流下降率。dlcoM/dt高，則dVcoWdt承受能力下降。接面溫度Tj越高，dVcoSdt承受能力越下降。假如雙向可控硅的dVcow

14、/dt的允許值有可能被超過，為避免發生假觸發，可在MT1和MT2間裝置RC緩沖電路，以此限制電壓上升率。通常選用100Q的能承受浪涌電流的碳膜電阻，lOOnF的電容。另一種選擇，采用Hi-Com雙向可控硅注意，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可能形成高的dIT/dt,在不利的切換條件下有破壞性。V時間圖6TriacdlCOM/dt和dVC0M/dt.（C）超出最大的切換電流變化率dlcoM/dt導致高dlcoM/dt值的因素是，高負載電流、髙電網頻率（假設止弦波電流）或者非止弦波負載電流。非止眩波負載電流和髙dlcoM/dt的常見原因是整流供電的電感性

15、負載。常常導致普通雙向可控硅切換失敗，一旦電源電壓降到負載反電勢之下，雙向可控硅電流向零跌落。該效應見圖7。雙向可控硅處于零電流狀態時，負載電流繞著橋式整流器“空轉”這類負載產生的dlcoM/dt如此之高，使雙向可控硅甚至不能支持50Hz波形由零上升時不大的dV/dto這里增加緩沖電路并無好處，因為dVCoM/dt不是問題所在。增加一個幾mH的電感，和負載串連，可以限制dlcoM/dto另一種解決辦法，釆用Hi-Com雙向可控硅。（cl）超出最大的斷開電壓變化率dVD/dt若截止的雙向可控硅上（或門極靈敏的閘流管）作用很髙的電壓變化率，盡管不超過V和（見圖8）,電容性內部電流能產生足夠大的門極

16、電流，并觸發器件導通。門極靈敏度隨溫度而升髙。假如發生這樣的問題，HT1和MT2間（或陽極和陰極間）應該加上RC緩沖電路，以限制dVD/dto若用的是雙向可控硅，采用Hi-Com型雙向可控硅更為有利。圖8.借號超出dv0/dt.導通取向可控硅PhilipsSemiconductors閘流管和雙向可控硅-成功應用的十條黃金規則 ApplicationNoteAN10121PhilipsSemiconductors閘流管和雙向可控硅-成功應用的十條黃金規則 #PhilipsSemiconductors閘流管和雙向可控硅-成功應用的十條黃金規則 #規則5若dVJdt或dVco/dt可能引起問題,在M

17、T1和MT2間加入RC緩沖電路。若髙dlcWdt可能引起問題,加入一兒mH的電感和負載串聯。另一種解決辦法,采用HiSX乂向可控硅。（e）超出截止狀態下反復電壓峰值Vdrm遇到嚴重的、異常的電源瞬間過程，NIT2電壓可能超過Vdrm，此時MT2和MT1間的漏電將達到一定程度，并使雙向可控硅口發導通（見圖9）o圖9.信號超岀Vdrm.導通雙向可控硅若負載允許髙涌入電流通過，在硅片導通的小而積上可能達到極高的局部電流密度。這可能導致硅片的燒毀。白熾燈、電容性負載和消弧保護電路都可能導致強涌入電流。由于超過Vdrm或dVD/dt導致雙向可控硅導通，這不完全威脅設備安全。而是隨之而來的dl*dt很可能

18、造成破壞。原因是，導通擴散至整個結需要時間，此時允許的dlddt值低于止常情況下用門極信號導通時的允許值。假如過程中限制dR/dt到一較低的值，雙向可控硅可能可以幸存。為此，可在負載上串聯一個兒PH的不飽和（空心）電感。假如上述解決方法不能接受，或不實際，可代替的方法是增加過濾和箝位電路，防止尖峰脈沖到達雙向可控硅。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，因為他們得知，在高溫環境下MOV會失控并導致嚴重事故。原因是它們的工作電壓有顯著的負溫度系數。但是，假如推薦電壓等級275VRMS用于

19、230V電源,MOV事故的可能極其微小。選用250VRMS往往會發生事故，對于高溫下的230V電源這是不夠的。規則6.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,采用下列措施之#負載上串聯電感量為兒UH的不飽和電感,以限制dh/dt：用MOV跨接于電源，并在電源側增加濾波電路。導通時的dIT/dt當雙向可控硅或閘流管在門極電流觸發下導通，門極臨近處立即導通，然后迅速擴展至整個有效而積。這遲后的時間有一個極限，即負載電流上升率的許可值。過髙的dh/dt可能導致局部燒毀，并使MT1-KIT2短路。若在3+象限觸發，局部的機理進一步降低dIT/dt的許可值。初始的、急劇的電流

20、上升率可立即使門極進入反向雪期擊穿狀態。這可能不會立即導致破壞。反復作用下，門極MT1結將逐步地燒毀，阻值下降。表現為，Igt逐步上升，直至雙向可控硅不能再觸發。高靈敏的雙向可控硅容易受到彩響。Hi-Com雙向可控硅不工作在3+彖限，所以不受此影響。高dk/dt承受能力決定于門極電流上升率dIGdt和峰值Ig。較高的dIG/dt值和峰值R（不超出門極功率條件下），就有較高的dk/dt承受能力。規則7選用好的門極觸發電路,避開3+象限工況,可以最大限度提髙雙向可控硅的dlj/dt承受能力。前而已提到過，具有高初始涌入電流的常見負載是白熾燈，冷態下電阻低。對于這種電阻性負載，若在電源電壓的峰值開始

21、導通，dl/dt將具有最大值。假如這值有可能超過雙向可控硅的dg/dt值，最好在負載上串聯一只兒UH的電感加以限制，或串聯負溫度系數的熱敏電阻。重中，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/dto無鐵芯的電感符合這個條件。一個更巧妙的解決辦法是采用零電壓導通，不必接入任何限制電流的器件。電流可以從止弦波起點開始逐漸上升。注意：應該提酶，零電壓導通只能用在電阻性負載。對于電感性負載，由于電壓和電流間存在相位差，使用這方法會引起“半波或單極導通，可能使電感性負載飽和，導致破壞性的髙峰電流，以及過熱。這種場合，更先進的控制技術采用零電流切換或變相位角觸發。PhilipsS

22、emiconductors閘流管和雙向可控硅-成功應用的十條黃金規則 ApplicationNoteAN10121PhilipsSemiconductors閘流管和雙向可控硅-成功應用的十條黃金規則 #PhilipsSemiconductors閘流管和雙向可控硅-成功應用的十條黃金規則 規則8若雙向可控硅的dl/dt有可能被超出，負載上最好串聯一個幾UH的無鐵芯電感或負溫度系數的熱敏電阻另一種解決辦法:對電阻性負載采用零電壓導通。斷開由于雙向可控硅用于交流電路，口然在負載電流每個半周的終點斷開，除非門極電流設置為后半周起點導通。對In的規則和閘流管相同,見規則2。Hi-Com雙向可控硅Hi-C

23、om雙向可控硅和傳統的雙向可控硅的內部結構有差別。差別之一是內部的二個“閘流管”分隔得更好，減少了互相的影響。這帶來下列好處：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。這降低了元器件數量、底板尺寸和成本，還免去了緩沖電路的功率耗散。髙dICOM/dto切換高頻電流或非止弦波電流的性能大為改善，而不需要在負載上串聯電感，以限制dlcoM/dto高dVz/dt0雙向可控硅在髙溫下更為靈敏。高溫下，處于截止狀態時，容易因髙d7dt下的假觸發而導通。HiCom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，例如廚房和取曖電器，而傳統的雙向可控硅則

24、不能用。內部結構差別的另一反映是3象限觸發是不可能的。在大部分情況下這不成為問題，因為這個觸發彖限最少描述，也最少應用。所以直接用HiCom雙向可控硅取代相當型號的傳統雙向可控硅兒乎總是可以的。Hi-Com雙向可控硅在飛利浦的二份資料中有詳細介紹：Factsheet013-Hi-Com以向可控硅原理；Factsheet014-Hi-Com雙向可控硅應用。雙向可控硅按裝方法對負載小，或電流持續時間短（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。雙向可控硅固定到散熱器的主要方法有三種，夾子壓接、螺栓固定和挪接。前二種方法的安裝工具很容易取得。很多場合

25、下，挪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處理，保證平坦，10mm上允許偏差0.02mm。4安裝力矩（帶墊圈）應在0.55Nm和0.8Nm之間。應避免使用口攻絲螺釘，因為擠壓可能導致安裝孔周圍的隆起，影

26、響器件和散熱器之間的熱接觸（見上面第3點）安裝力矩無法控制，也是這種安裝方法的缺點。器件應首先機械固定，然后焊接引線。這可減少引線的不適當應力。釧接除非I分小心，釧接不是推薦的安裝方法，因為這種操作中可能產生很大的力，可能使接口變形，晶片裂紋，器件損壞。假如要采用釧接，為了減少廢品，必須遵守下列規則：散熱器必須為器件提供一個平整、光潔的表|們。散熱器安裝孔的直徑不要比器件接頭片安裝孔的直徑大。釧釘應和接頭片孔有間隙，而和散熱器安裝孔無間隙。器件接口片一側應是釧釘頭，而不是心軸。釧釘和接口應成90度（釧釘頭在整個園周上和接口片相接觸）O釧接后，挪釘頭不接觸器件的塑料體。PhilipsSemico

27、nductors閘流管和雙向可控硅-成功應用的十條黃金規則 ApplicationNoteAN10121PhilipsSemiconductors閘流管和雙向可控硅-成功應用的十條黃金規則 #PhilipsSemiconductors閘流管和雙向可控硅-成功應用的十條黃金規則 #先把器件固定，散熱器裝上印刷線路板，然后焊接引線。這可把引線的應力降到最小。規則9.器件固定到散熱器時,避免讓雙向可控硅受到應力。固定，然后焊接引線。不要把挪釘芯軸放任器件接口片一側。在最高環境溫度下，結溫升至最高允許結溫Tjmax,由此得出結溫最大允許提升值。這提供溫升To根據選定的安裝方法，SC03手冊提供際卜誠和

28、Rihmb-h數據。應用前面的熱阻公式血j尸Rthrmb+Rtbmb.h+Rh.a，可最后求得散熱器熱阻Rtbh-aoPhilipsSemiconductors閘流管和雙向可控硅-成功應用的十條黃金規則 #PhilipsSemiconductors閘流管和雙向可控硅-成功應用的十條黃金規則 #熱阻熱阻Rm是限制熱流口結散出的熱阻。熱阻和電阻是相似的概念。如同電阻公式R=va,有相應的熱阻公式R=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：因此的單位為KWo對于垂直安裝在大氣中的器件，熱阻決定于結至環境熱阻RthJ.ao對SOT82組件的典型數據是100K/W,對SOT78組件是60KW.而對絕緣的F-pack和X-pack為55K/W。對于安裝在散熱器上的非絕緣器件，結至環境熱阻是個總值由結至安裝基面熱阻、安裝基而至散熱器熱阻和散熱器至環境熱阻相加Rthj-a=Rchj-mb+Rthmbh+Ra廣因溜回10.SOT223i0.401mmPhilipsSemiconductors閘流管和雙向可控硅-成功應用的十條黃金規則 #PhilipsSemiconductors閘流管和雙向可控硅-成功應用的十條黃金規則 #圖11.SOT54仃092).0.480.40PhilipsSemiconductors閘流管和雙向可控硅-成功應用的