晶閘管和雙向可控硅應(yīng)用規(guī)則.doc

閘流管閘流管是一種可控制的整流管，由門(mén)極向陰極送 出微小信號(hào)電流即可觸發(fā)單向電流自陽(yáng)極流向陰極。導(dǎo)通讓門(mén)極相對(duì)陰極成正極性，使產(chǎn)生門(mén)極電流，閘 流管立即導(dǎo)通。當(dāng)門(mén)極電壓達(dá)到閥值電壓 VGT，并導(dǎo) 致門(mén)極電流達(dá)到閥值 IGT，經(jīng)過(guò)很短時(shí)間 tgt（稱(chēng)作門(mén)極 控制導(dǎo)通時(shí)間）負(fù)載電流從正極流向陰極。假如門(mén)極 電流由很窄的脈沖構(gòu)成，比方說(shuō) 1s，它的峰值應(yīng)增 大，以保證觸發(fā)。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到閘流管的閂鎖電流值 IL 時(shí)，即使 斷開(kāi)門(mén)極電流，負(fù)載電流將維持不變。只要有足夠的 電流繼續(xù)流動(dòng)，閘流管將繼續(xù)在沒(méi)有門(mén)極電流的條件 下導(dǎo)通。這種狀態(tài)稱(chēng)作閂鎖狀態(tài)。注意，VGT，IGT 和 IL 參數(shù)的值都是 25下的數(shù) 據(jù)。在低溫下這些值將增大，所以驅(qū)動(dòng)電路必須提供 足夠的電壓、電流振幅和持續(xù)時(shí)間，按可能遇到的、最低的運(yùn)行溫度考慮。規(guī)則 1 為了導(dǎo)通閘流管（或雙向可控硅），必須有門(mén)極電流IGT ，直至負(fù)載電流達(dá)到IL 。這條 件必須滿(mǎn)足，并按可能遇到的最低溫度考慮。靈敏的門(mén)極控制閘流管，如 BT150，容易在高溫下因陽(yáng)極至陰極的漏電而導(dǎo)通。假如結(jié)溫 Tj 高于 Tjmax , 將達(dá)到一種狀態(tài)，此時(shí)漏電流足以觸發(fā)靈敏的閘流管 門(mén)極。閘流管將喪失維持截止?fàn)顟B(tài)的能力，沒(méi)有門(mén)極 電流觸發(fā)已處于導(dǎo)通。要避免這種自發(fā)導(dǎo)通，可采用下列解決辦法中的 一種或幾種：1. 確保溫度不超過(guò) Tjmax。2. 采用門(mén)極靈敏度較低的閘流管，如 BT151，或在 門(mén)極和陰極間串入 1k或阻值更小的電阻，降低 已有閘流管的靈敏度。3. 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(mén)極反向偏流。這措施 能增大 IL。應(yīng)用負(fù)門(mén)極電流時(shí)，特別要注意降低 門(mén)極的功率耗散。截止（換向）要斷開(kāi)閘流管的電流，需把負(fù)載電流降到維持電 流 IH 之下，并歷經(jīng)必要時(shí)間，讓所有的載流子撤出 結(jié)。在直流電路中可用“強(qiáng)迫換向”，而在交流電路中則在導(dǎo)通半周終點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。（負(fù)載電路使負(fù)載電流降 到零，導(dǎo)致閘流管斷開(kāi)，稱(chēng)作強(qiáng)迫換向。）然后，閘流管將回復(fù)至完全截止的狀態(tài)。假如負(fù)載電流不能維持在 IH 之下足夠長(zhǎng)的時(shí)間， 在陽(yáng)極和陰極之間電壓再度上升之前，閘流管不能回復(fù)至完全截止的狀態(tài)。它可能在沒(méi)有外部門(mén)極電流作 用的情況下，回到導(dǎo)通狀態(tài)。注意，IH 亦在室溫下定義，和 IL 一樣，溫度高時(shí)其值減小。所以，為保證成功的切換，電路應(yīng)充許有足夠時(shí)間，讓負(fù)載電流降到 IH 之下，并考慮可能遇到的最高運(yùn)行溫度。規(guī)則 2 要斷開(kāi)（切換）閘流管（或雙向可控硅），負(fù)載電流必須 需要高峰值 IG。2. 由 IG 觸發(fā)到負(fù)載電流開(kāi)始流動(dòng)，兩者之間遲后時(shí)間較長(zhǎng) 要求 IG 維持較長(zhǎng)時(shí)間。3. 低得多的 dIT/dt 承受能力若控制負(fù)載具有高 dI/dt 值（例如白熾燈的冷燈絲），門(mén)極可能發(fā)生強(qiáng)烈退化。4. 高 IL 值（第2象限工況亦如此）對(duì)于很小的負(fù)載，若在電源半周起始點(diǎn)導(dǎo)通，可能需要較長(zhǎng)時(shí)間的 IG，才能讓負(fù)載電流達(dá)到較高的 IL。 表1雙向可控硅的四象限觸發(fā)方式導(dǎo)通方式電路原理第一象限正向觸發(fā)方式工作電壓為 T2正 T1 負(fù)，觸發(fā)電壓為 G正 T1 負(fù)。導(dǎo)通電流的方向是 T2流向 T1。我們稱(chēng)這種方式為第一象限的正向觸發(fā)方式。第二象限正向觸發(fā)方式工作電壓為 T2正 T1負(fù)，觸發(fā)電壓為 G負(fù)T1 正。導(dǎo)通電流的方向是 T2流向 T1。我們稱(chēng)這種方式為第二象限的負(fù)向觸發(fā)方式。第三象限正向觸發(fā)工作電壓為 T1正 T2負(fù)，觸發(fā)電壓為 G負(fù)T1 正。導(dǎo)通電流的方向是 T1流向 T2。我們稱(chēng)這種方式為第三象限的負(fù)向觸發(fā)方式。第四象限正向觸發(fā)方式工作電壓為 T1正 T2 負(fù)，觸發(fā)電壓為 G正 T1 負(fù)。導(dǎo)通電流的方向是 T1流向 T2。我們稱(chēng)這種方式為第四象限的正向觸發(fā)方式。在標(biāo)準(zhǔn)的 AC相位控制電路中，如燈具調(diào)光器和家用電器轉(zhuǎn)速控制，門(mén)極和T2的極性始終不變。這表明，工況總是在第1象限和第3象限，這里雙向可控硅的切換參數(shù)相同。這導(dǎo)致對(duì)稱(chēng)的雙向可控硅切換，門(mén)極此 時(shí)最靈敏。說(shuō)明：以 1，2-，3 和 4標(biāo)志四個(gè)觸發(fā)象限，完全是為了簡(jiǎn)便，例如用第1象限取代“T2+，G+”等等。這是從雙向可控硅的 V/I 特性圖導(dǎo)出的代號(hào)。正的T2相應(yīng)正電流進(jìn)入T2，相反也是（見(jiàn)圖 5）。實(shí)際上，工況只能存在1 和 3 象限中。上標(biāo)+和-分別表示門(mén)極輸入或輸出電流。規(guī)則 3 設(shè)計(jì)雙向可控硅觸發(fā)電路時(shí)，只要有可能，就要避開(kāi)第3象限（T2-，G+）。其它導(dǎo)通方式還有一些雙向可控硅的導(dǎo)通方式是我們不希望發(fā)生的。其中有些不損傷設(shè)備，另一些則可能破壞設(shè)備。（a）電子噪聲引發(fā)門(mén)極信號(hào)在電子噪聲充斥的環(huán)境中，若干擾電壓超過(guò) VGT，并有足夠的門(mén)極電流，就會(huì)發(fā)生假觸發(fā)，導(dǎo)致雙向可控 硅切換。第一條防線是降低臨近空間的雜波。門(mén)極接線越短越好，并確保門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路的共用返回線直接 連接到 T1管腳（對(duì)閘流管是陰極）。若門(mén)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(duì)電子噪聲的抵抗力，可在門(mén)極和 T1 之 間串入 1k或更小的電阻，以此降低門(mén)極的靈敏度。 假如已采用高頻旁路電容，建議在該電容和門(mén)極間加入電阻，以降低通過(guò)門(mén)極的電容電流的峰值，減少雙向可控硅門(mén)極區(qū)域?yàn)檫^(guò)電流燒毀的可能。另一解決辦法，選用靈敏度型號(hào)雙向可控硅。規(guī)則 4 為減少雜波吸收，門(mén)極連線長(zhǎng)度降至最低。返回線直接連至T1（或陰極）。若用硬線，用螺旋雙線或屏蔽線。門(mén)極和T1間加電阻1k或更小。高頻旁路電容和門(mén)極間串接電阻。另一解決辦法，低靈敏度雙向可控硅。(b)超過(guò)最大切換電壓上升率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（見(jiàn)圖 6）。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若超過(guò)允許的 dVCOM/dt，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。高 dVCOM/dt 承受能力受二個(gè)條件影響：1. dICOM/dt 為切換時(shí)負(fù)載電流下降率。dICOM/dt 高， 則 dVCOM/dt 承受能力下降。2. 接面溫度 Tj 越高，dVCOM/dt 承受能力越下降。 假如雙向可控硅的 dVCOM/dt 的允許有可能被超過(guò)，為避免發(fā)生假觸發(fā)，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100的能承受浪涌電流的碳膜電阻，100nF 的電容。注意，緩沖電路中無(wú)論如何不能省略電阻。沒(méi)有這限流電阻，電容向雙向可控硅釋放電荷時(shí)可能形成高的 dIT/dt，在不利的切換條件下有破壞性。（c） 超出最大的切換電流變化率dICOM/dt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 。非正弦波負(fù)載電流和高 dICOM/dt的常見(jiàn)原因是整流供電的電感性負(fù)載。常常導(dǎo)致普通雙向可控硅切換失敗，一旦電源電壓降到負(fù)載反電勢(shì)之下，雙向可控硅電流向零跌落。該效應(yīng)見(jiàn)圖 7。雙向可控硅處于零電流狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電流繞著橋式整流器“空轉(zhuǎn)”。這類(lèi)負(fù)載產(chǎn)生的 dICOM/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(shí)不大的 dV/dt。這里增加 緩沖電路并無(wú)好處，因?yàn)?dVCOM/dt 不是問(wèn)題所在。增 加一個(gè)幾 mH 的 電 感 ， 和負(fù)載 串連 ，可以 限制 dICOM/dt。(d) 超出最大的斷開(kāi)電壓變化率 dVD/dt規(guī)則 4.為減少雜波吸收，門(mén)極連線長(zhǎng)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(mén)極和 MT1 間加電阻 1k 或更小。高頻旁路電容和門(mén)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。若截止的雙向可控硅上（或門(mén)極靈敏的閘流管） 作用很高的電壓變化率，盡管不超過(guò) VDRM（見(jiàn)圖 8）， 電容性?xún)?nèi)部電流能產(chǎn)生足夠大的門(mén)極電流，并觸發(fā)器件導(dǎo)通。門(mén)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。規(guī)則 5 若 dVD/dt 或 dVCOM/dt 可能引起問(wèn)題，在 T1 和 T2 間加入 RC 緩沖電路。若高 dICOM/dt 可能引起問(wèn)題，加入一幾 mH 的電 感和負(fù)載串聯(lián)。(e) 超出截止?fàn)顟B(tài)下反復(fù)電壓峰值 VDRM遇到嚴(yán)重的、異常的電源瞬間過(guò)程，T2 電壓可能超過(guò) VDRM，此時(shí) T2 和 T1 間的漏電將達(dá)到一定程度，并使雙向可控硅自發(fā)導(dǎo)通（見(jiàn)圖 9）。若負(fù)載允許高涌入電流通過(guò)，在硅片導(dǎo)通的小面 積上可能達(dá)到極高的局部電流密度。這可能導(dǎo)致硅片 的燒毀。白熾燈、電容性負(fù)載和消弧保護(hù)電路都可能 導(dǎo)致強(qiáng)涌入電流。由于超過(guò) VDRM 或 dVD/dt 導(dǎo)致雙向可控硅導(dǎo)通， 這不完全威脅設(shè)備安全。而是隨之而來(lái)的 dIT/dt 很可能造成破壞。原因是，導(dǎo)通擴(kuò)散至整個(gè)結(jié)需要時(shí)間，此 時(shí)允許的 dIT/dt 值低于正常情況下用門(mén)極信號(hào)導(dǎo)通時(shí)的允許值。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。為此，可在負(fù)載上串聯(lián)一個(gè)幾H 的不飽和（空心）電感。假如上述解決方法不能接受，或不實(shí)際，可代替的方法是增加過(guò)濾和箝位電路，防止尖峰脈沖到達(dá)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?yàn)樗麄兊弥诟邷丨h(huán)境下MOV會(huì)失控并導(dǎo)致嚴(yán)重事故。原因是它們的工作電壓有顯著的負(fù)溫度系數(shù)。但是，假如推薦電壓等級(jí) 275V RMS 用于 230V 電源，MOV 事故的可能極其微小。選用250V RMS 往往會(huì)發(fā)生事故，對(duì)于高溫下的 230V 電源這是不夠的。規(guī)則 6 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，采用下列措施之 一：負(fù)載上串聯(lián)電感量為幾H 的不飽和電感，以 限制 dIT/dt；用 MOV 跨接于電源，并在電源側(cè)增加濾波電路。導(dǎo)通時(shí)的 dIT/dt當(dāng)雙向可控硅或閘流管在門(mén)極電流觸發(fā)下導(dǎo)通 ，門(mén)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。若在 第4象限觸發(fā)，局部的機(jī)理進(jìn)一步降低 dIT/dt 的許可值。初始的、急劇的電流上升率可立即使門(mén)極進(jìn)入反向雪崩擊穿狀態(tài)。這可能不會(huì)立即導(dǎo)致破壞。反復(fù)作用下，門(mén)極-T1 結(jié)將逐步地?zé)龤В柚迪陆怠?表現(xiàn)為，IGT 逐步上升，直至雙向可控硅不能再觸發(fā)。 高靈敏的雙向可控硅容易受到影響。高 dIT/dt 承受能力決定于門(mén)極電流上升率 dIG/dt 和 峰值 IG。較高的 dIG/dt 值和峰值 IG（不超出門(mén)極功率 條件下），就有較高的 dIT/dt 承受能力。規(guī)則 7 選用好的門(mén)極觸發(fā)電路，避開(kāi)第4象限工況，可以最大限度提高雙向可控硅的 dIT/dt 承受能力。前面已提到過(guò)，具有高初始涌入電流的常見(jiàn)負(fù)載 是白熾燈，冷態(tài)下電阻低。對(duì)于這種電阻性負(fù)載，若在電源電壓的峰值開(kāi)始導(dǎo)通，dIT/dt 將具有最大值。假如這值有可能超過(guò)雙向可控硅的 dIT/dt 值，最好在負(fù)載 上串聯(lián)一只幾H 的電感加以限制，或串聯(lián)負(fù)溫度系 數(shù)的熱敏電阻。重申，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/dt。無(wú)鐵芯 的電感符合這個(gè)條件。一個(gè)更巧妙的解決辦法是采用零電壓導(dǎo)通，不必接入任何限制電流的器件。電流可以從正弦波起點(diǎn)開(kāi)始逐漸上升。注意：應(yīng)該提醒，零電壓導(dǎo)通只能用在電阻性負(fù) 載。對(duì)于電感性負(fù)載，由于電壓和電流間存在相位 差，使用這方法會(huì)引起“半波”或單極導(dǎo)通，可能使電感性負(fù)載飽和，導(dǎo)致破壞性的高峰電流，以及過(guò)熱。這種場(chǎng)合，更先進(jìn)的控制技術(shù)采用零電流切換或變相位角觸發(fā)。規(guī)則 8 若雙向可控硅的 dIT/dt 有可能被超出，負(fù)載上最好串聯(lián)一個(gè)幾H的無(wú)鐵芯電感或負(fù)溫度系 數(shù)的熱敏電阻。另一種解決辦法：對(duì)電阻性負(fù)載采用零電壓導(dǎo)通。斷開(kāi)由于雙向可控硅用于交流電路，自然在負(fù)載電流每個(gè)半周的終點(diǎn)斷開(kāi)，除非門(mén)極電流設(shè)置為后半周起點(diǎn)導(dǎo)通。對(duì) IH 的規(guī)則和閘流管相同，見(jiàn)規(guī)則 2。雙向可控硅按裝方法對(duì)負(fù)載小，或電流持續(xù)時(shí)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、螺栓固定和鉚接。前二種方法的安裝工具很 容易取得。很多場(chǎng)合下，鉚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(duì)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（ SOT186 F-pack 和更 新的 SOT186A X-pack）。注意：SOT78 就是 TO220AB。螺栓固定1. 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(yīng)該不對(duì)器 件的塑料體施加任何力量。2.安裝過(guò)程中，螺絲刀決不能對(duì)器件塑料體施加任何力量。3.和接頭片接觸的散熱器表面應(yīng)處理，保證平坦，10mm 上允許偏差 0.02mm。4.安裝力矩（帶墊圈）應(yīng)在 0.55Nm 和 0.8Nm 之 間。5.應(yīng)避免使用自攻絲螺釘，因?yàn)閿D壓可能導(dǎo)致安裝孔周?chē)穆∑?，影響器件和散熱器之間的熱接觸（見(jiàn)上面第 3 點(diǎn)）。安裝力矩?zé)o法控制，也是這 種安裝方法的缺點(diǎn)。6.器件應(yīng)首先機(jī)械固定，然后焊接引線。這可減少引線的不適當(dāng)應(yīng)力。鉚接除非十分小心，鉚接不是推薦的安裝方法，因?yàn)檫@種操作中可能產(chǎn)生很大的力，可能使接口變形，晶 片裂紋，器件損壞。假如要采用鉚接，為了減少?gòu)U品，必須遵守下列規(guī)則：1.散熱器必須為器件提供一個(gè)平整、光潔的表面。2.散熱器安裝孔的直徑不要比器件接頭片安裝孔的直徑大。3.鉚釘應(yīng)和接頭片孔有間隙，而和散熱器安裝孔無(wú)間隙。4.器件接口片一側(cè)應(yīng)是鉚釘頭，而不是心軸。5.鉚釘和接口應(yīng)成 90 度（鉚釘頭在整個(gè)園周上和接 口片相接觸）。6.鉚接后，鉚釘頭不接觸器件的塑料體。7.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(yīng)力降到最小。規(guī)則 9.器件固定到散熱器時(shí)，避免讓雙向可控硅受到應(yīng)力。固定，然后焊接引線。不要把鉚釘芯軸放在器件接口片一側(cè)。熱阻熱阻 Rth 是限制熱流自結(jié)散出的熱阻。熱阻和電阻 是相似的概念。如同電阻公式 R=V/I，有相應(yīng)的熱阻 公式 Rth =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 Rth 的單位為 K/W。對(duì)于垂直安裝在大氣中的器件，熱阻決定于結(jié)至 環(huán)境 熱阻 Rth j-a 。對(duì)SOT82 組 件的典 型數(shù)據(jù) 是100K/W，對(duì) SOT78 組件是 60K/W，而對(duì)絕緣的 F- pack 和 X-pack 為 55K/W。對(duì)于安裝在散熱器上的非絕緣器件，結(jié)至環(huán)境熱阻是個(gè)總值由結(jié)至安裝基面熱阻、安裝基面至散熱器熱阻和散熱器至環(huán)境熱阻相加。Rth j-a= Rth j-mb + Rth mb-h+ Rth h-a (非絕緣組件) 在器件和散熱器之間加入導(dǎo)熱添加劑或薄片，是一種推薦的方法。絕緣組件采用這種安裝方法時(shí)，安裝基面不再是一種基準(zhǔn)，因?yàn)?Rth mb-h 成為一常數(shù)，是采用導(dǎo)熱添加劑的最佳值。所以，結(jié)至環(huán)境熱阻是結(jié)至散熱器和散熱器至環(huán)境兩熱阻之和。Rth j-a = Rth j-h + Rth h-a （絕緣組件）Rth j-mb 和 Rth j-h 是確定的，對(duì)每一器件的數(shù)據(jù)可在其資 料中查到。Rth mb-h 可在安裝手冊(cè)中查到，根據(jù)是絕緣安裝還是非絕緣安裝，是否添加導(dǎo)熱添加劑。Rth h-a 決定于散熱器尺寸和空氣