【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)計指要。
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。
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)。
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)，因為載流子沒有充分的時間自結(jié)上撤出，如圖3所示。
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 導(dǎo)通時的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。
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。
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。
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