双向可控硅的设计及应用分析

　　引言

　　1958年，从美国通用电气公司研制成功第一个工业用可控硅开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组、静止的离子变流器进入以电力半导体" target="_blank">半导体

器件组成的变流器时代。可控硅分单向可控硅与双向可控硅。单向可控硅一般用于彩电的过流、过压保护电路。双向可控硅一般用于交流调节电路，如调光台灯及全自动洗衣机中的交流电源控制。

　　双向可控硅是在普通可控硅的基础上发展而成的，它不仅能代替两只反极性并联的可控硅，而且仅需一个触发电路，是目前比较理想的交流开关器件，一直为家电行业中主要的功率控制器件。近几年，随着半导体技术的发展，大功率双向可控硅不断涌现，并广泛应用在变流、变频领域，可控硅应用技术日益成熟。本文主要探讨广泛应用于家电行业的双向可控硅的设计及应用。

　　双向可控硅特点

　　双向可控硅可被认为是一对反并联连接的普通可控硅的集成，工作原理与普通单向可控硅相同。图1为双向可控硅的基本结构及其等效电路，它有两个主电极T1和T2，一个门极G，门极使器件在主电极的正反两个方向均可触发导通，所以双向可控硅在第1和第3象限有对称的伏安特性。双向可控硅门极加正、负触发脉冲都能使管子触发导通，因此有四种触发方式。

图1 双向可控硅结构及等效电路

　　双向可控硅应用

　　为正常使用双向可控硅，需定量掌握其主要参数，对双向可控硅进行适当选用并采取相应措施以达到各参数的要求。

　　耐压级别的选择：通常把VDRM（断态重复峰值电压）和VRRM（反向重复峰值电压）中较小的值标作该器件的额定电压。选用时，额定电压应为正常工作峰值电压的2~3倍，作为允许的操作过电压裕量。

　　电流的确定：由于双向可控硅通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示它的额定电流值。由于可控硅的过载能力比一般电磁器件小，因而一般家电中选用可控硅的电流值为实际工作电流值的2~3倍。同时，可控硅承受断态重复峰值电压VDRM和反向重复峰值电压VRRM时的峰值电流应小于器件规定的IDRM和IRRM。

　　通态（峰值）电压VTM的选择：它是可控硅通以规定倍数额定电流时的瞬态峰值压降。为减少可控硅的热损耗，应尽可能选择VTM小的可控硅。

　　维持电流：IH是维持可控硅维持通态所必需的最小主电流，它与结温有关，结温越高，则IH越小。

　　电压上升率的抵制：dv/dt指的是在关断状态下电压的上升斜率，这是防止误触发的一个关键参数。此值超限将可能导致可控硅出现误导通的现象。由于可控硅的制造工艺决定了A2与G之间会存在寄生电容，如图2所示。我们知道dv/dt的变化在电容的两端会出现等效电流，这个电流就会成为Ig，也就是出现了触发电流，导致误触发。

图2 双向可控硅等效示意图

　　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。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（dVCOM/dt）若超过允许值，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，如图3所示。

图3 切换时的电流及电压变化

　　高dVCOM/dt承受能力受二个条件影响：

　　dICOM/dt—切换时负载电流下降率。dICOM/dt高，则dVCOM/dt承受能力下降。

　　结面温度Tj越高，dVCOM/dt承受能力越下降。假如双向可控硅的dVCOM/dt的允许值有可能被超过，为避免发生假触发，可在T1 和T2 间装置RC缓冲电路，以此限制电压上升率。通常选用47~100Ω的能承受浪涌电流的碳膜电阻，0.01μF~0.47μF的电容，晶闸管关断过程中主电流过零反向后迅速由反向峰值恢复至零电流，此过程可在元件两端产生达正常工作峰值电压5-6倍的尖峰电压。一般建议在尽可能靠近元件本身的地方接上阻容吸收回路。

　　断开状态下电压变化率dvD/dt。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，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。

　　电流上升率的抑制：电流上升率的影响主要表现在以下两个方面：

　　①dIT/dt（导通时的电流上升率）—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。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。因此，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或导通时的dIT/dt有可能被超出，可在负载上串联一个几μH的不饱和（空心）电感。

　　②dICOM/dt (切换电流变化率) —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,它们引起的切换电流变化率超出最大的允许值，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，加入一几mH的电感和负载串联，可以限制dICOM/dt。

为了解决高dv/dt及di/dt引起的问题，还可以使用Hi-Com 双向可控硅，它和传统的双向可控硅的内部结构有差别。差别之一是内部的二个“闸流管”分隔得更好，减少了互相的影响。这带来下列好处：
　　①高dVCOM/dt。能控制电抗性负载，在很多场合下不需要缓冲电路，保证无故障切换。这降低了元器件数量、底板尺寸和成本，还免去了缓冲电路的功率耗散。

　　②高dICOM/dt。切换高频电流或非正弦波电流的性能大为改善，而不需要在负载上串联电感，以限制dICOM/dt。

　　③高dvD/dt（断开状态下电压变化率）。双向可控硅在高温下更为灵敏。高温下，处于截止状态时，容易因高dV/dt下的假触发而导通。Hi-Com双向可控硅减少了这种倾向。从而可以用在高温电器，控制电阻性负载，例如厨房和取暖电器，而传统的双向可控硅则不能用。