引言
1958年,，從美國通用電氣公司研制成功第一個工業(yè)用可控硅開始，電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)的變流機(jī)組,、靜止的離子變流器進(jìn)入以電力半導(dǎo)體" target="_blank">半導(dǎo)體器件組成的變流器時代?？煽毓璺謫蜗蚩煽毓枧c雙向可控硅,。單向可控硅一般用于彩電的過流、過壓保護(hù)電路,。雙向可控硅一般用于交流調(diào)節(jié)電路,，如調(diào)光臺燈及全自動洗衣機(jī)中的交流電源控制。
雙向可控硅是在普通可控硅的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的,，它不僅能代替兩只反極性并聯(lián)的可控硅,，而且僅需一個觸發(fā)電路，是目前比較理想的交流開關(guān)器件,，一直為家電行業(yè)中主要的功率控制器件,。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)計及應(yīng)用,。
雙向可控硅特點(diǎn)
雙向可控硅可被認(rèn)為是一對反并聯(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,，它有兩個主電極T1和T2，一個門極G,，門極使器件在主電極的正反兩個方向均可觸發(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。
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圖1 雙向可控硅結(jié)構(gòu)及等效電路 |
雙向可控硅應(yīng)用
為正常使用雙向可控硅,，需定量掌握其主要參數(shù),，對雙向可控硅進(jìn)行適當(dāng)選用并采取相應(yīng)措施以達(dá)到各參數(shù)的要求。
耐壓級別的選擇：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,，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表示它的額定電流值。由于可控硅的過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，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出現(xiàn)等效電流,，這個電流就會成為Ig，也就是出現(xiàn)了觸發(fā)電流,，導(dǎo)致誤觸發(fā),。
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圖2 雙向可控硅等效示意圖 |
切換電壓上升率dVCOM/dt,。驅(qū)動高電抗性的負(fù)載時，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,。當(dāng)負(fù)載電流過零時雙向可控硅發(fā)生切換,，由于相位差電壓并不為零。這時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）若超過允許值,，會迫使雙向可控硅回復(fù)導(dǎo)通狀態(tài)，因?yàn)檩d流子沒有充分的時間自結(jié)上撤出,，如圖3所示,。
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圖3 切換時的電流及電壓變化 |
高dVCOM/dt承受能力受二個條件影響：
dICOM/dt—切換時負(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,，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,。通常選用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)斷過程中主電流過零反向后迅速由反向峰值恢復(fù)至零電流,，此過程可在元件兩端產(chǎn)生達(dá)正常工作峰值電壓5-6倍的尖峰電壓。一般建議在盡可能靠近元件本身的地方接上阻容吸收回路,。
斷開狀態(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,。
電流上升率的抑制：電流上升率的影響主要表現(xiàn)在以下兩個方面：
①dIT/dt（導(dǎo)通時的電流上升率）—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)展至整個有效面積。這遲后的時間有一個極限,，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。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,。因此，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或?qū)〞r的dIT/dt有可能被超出,，可在負(fù)載上串聯(lián)一個幾μH的不飽和（空心）電感。
?、赿ICOM/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。
為了解決高dv/dt及di/dt引起的問題,，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“閘流管”分隔得更好,，減少了互相的影響,。這帶來下列好處：
①高dVCOM/dt,。能控制電抗性負(fù)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(shù)量,、底板尺寸和成本，還免去了緩沖電路的功率耗散,。
?、诟遜ICOM/dt。切換高頻電流或非正弦波電流的性能大為改善,，而不需要在負(fù)載上串聯(lián)電感,，以限制dICOM/dt。
?、鄹遜vD/dt（斷開狀態(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,，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,。