雙向可控硅原理及在家電產(chǎn)品中應(yīng)用研究

龔輝平

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

雙向可控硅是一種硅可控整流器件，也稱作雙向晶閘管。這種器件在電路中能夠?qū)崿F(xiàn)交流電的無觸點(diǎn)控制，以小電流控制大電流，具有無火花、動作快、壽命長、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。雙向可控硅的應(yīng)用場景廣泛，如調(diào)光臺燈、加熱功率的無級調(diào)節(jié)等。本文從雙向可控硅的工作原理、工作象限和關(guān)鍵參數(shù)等進(jìn)行分析入手，得出雙向可控硅控制家電產(chǎn)品中功率為10 ～ 2000 W的阻性加熱負(fù)載的注意事項(xiàng)，確保系統(tǒng)工作可靠，電磁干擾穩(wěn)定。

1 雙向可控硅的工作原理及應(yīng)用方式

雙向可控硅有三個管腳，控制極G、主電極A1 、A2 ，其屬于半控性器件，向控制極G外加正向觸發(fā)脈沖使可控硅導(dǎo)通，可控硅一旦導(dǎo)通則必須在電壓過零時才會自行關(guān)斷[1],其實(shí)是電流過零時，可控硅IT電流小于保持電流IH，可控硅才關(guān)斷。雙向可控硅符號如圖1所示。

圖1 雙向可控硅符號

可控硅導(dǎo)通：要保證可控硅的可靠導(dǎo)通，主要考慮的因素有兩個：一個是門極觸發(fā)電流IG需要高于芯片規(guī)格書的IGT；一個是流過可控硅的IT電流需要達(dá)到閉鎖電流IL之后，才能撤離門極觸發(fā)電流IG。雙向可控硅開通時序如圖2所示。

圖2 雙向可控硅開通時序

根據(jù)可控硅不同的應(yīng)用場合，可控硅有斬波控制和零電壓開關(guān)（即過零導(dǎo)通）兩種方式（如圖3、圖4所示），斬波控制是在交流電源電壓非零點(diǎn)進(jìn)行觸發(fā)，存在比較大的dV/dt、dI/dt，零電壓開關(guān)控制在零點(diǎn)進(jìn)行觸發(fā)，相對斬波控制不存在dV/dt、dI/dt的問題，或者數(shù)值比較小。

圖3 斬波控制

圖4 零電壓開關(guān)控制

2 可控硅的工作象限

就工作象限而言，可控硅可以分為三象限和四象限可控硅，四象限相對來說是屬于比較早的產(chǎn)品，三象限是比較新的產(chǎn)品。圖5中根據(jù)門極觸發(fā)電流Ig的電流方向和A2 、A1的電壓大小進(jìn)行象限區(qū)分的說明。第一象限Q1 ：Ig為灌電流灌入柵極，VA2 -A1 ＞ 0；第二象限Q2 ：Ig為拉電流從柵極流出，VA2 -A1 ＞ 0；第三象限Q3 ：Ig為拉電流從柵極流出,VA2 -A1 ＜ 0；第四象限Q4 ：Ig為灌電流灌入柵極，VA2 -A1 ＜ 0，此象限的灌電流較高。

圖5 四象限可控硅

四象限的可控硅理論上都是能夠在一二三四象限進(jìn)行工作,但是當(dāng)工作在第四象限下可控硅需要較大的門極觸發(fā)電流[2],且可控硅抗電流和沖擊的能力比較弱,即dI/dt參數(shù)相對于其他的工作象限會偏低,可控硅容易誤觸發(fā)或損壞,因此我們要盡量避免其工作在第四象限,最常見的情況就是它們工作在第一三象限組合,第二三象限組合。

3 家電產(chǎn)品中阻性加熱負(fù)載使用可控硅控制的可靠應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 可控硅的四個工作階段

以T3035H-6I為例對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析。首先分別對可控硅的各個工作狀態(tài)下需要注意的參數(shù)進(jìn)行分析、評估，分為OFF、TURN-ON、ON、TURN-OFF這四個階段，如圖6。

圖6 可控硅的四種工作狀態(tài)

3.1.1 OFF：斷態(tài)

可控硅斷態(tài)的情況下，應(yīng)該關(guān)注dV/dt，過大的dV/dt會引起可控硅的誤導(dǎo)通，惡劣情況下會將可控硅擊穿。

引起誤導(dǎo)通的機(jī)理，由于可控硅內(nèi)部存在寄生電容，并且這個寄生電容與可控硅的通態(tài)均方根電流成正相關(guān)關(guān)系（即可控硅通態(tài)電流越大，由于制作工藝問題其內(nèi)部的寄生電容也越大），可控硅A2 、A1兩端的電壓變化率dV/dt會產(chǎn)生相應(yīng)的容性電流，當(dāng)dV/dt超過規(guī)定值，則可能通過寄生電容的充放電與門極構(gòu)成回路而導(dǎo)致誤導(dǎo)通。

如圖7中，容性電流IG=C*(dV/dt)，所以在設(shè)計中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注該參數(shù)，有效地預(yù)防和提高可控硅的抗干擾能力，在電路上主要有兩個方法：

圖7 可控硅寄生電容

1）在可控硅A2 、A1兩端增加RC阻容回路，如圖8左，吸收脈沖電壓，有利于改善EFT性能；

2）在門極增加泄放電阻Rgk，如圖8右，為產(chǎn)生的容性電流提供泄放通路。

圖8 提升抗干擾能力的措施

在斷態(tài)下要測試上電開機(jī)瞬間或者進(jìn)行EFT即電快速瞬變脈沖群實(shí)驗(yàn)時需要評估該電壓變化率是否滿足器件規(guī)格書的要求，上電瞬間評估dV/dt時，最惡劣的情況應(yīng)該是在波峰或波谷的瞬間上電，通過示波器監(jiān)控的方法測試和計算dV/dt的值。

3.1.2 TURN-ON：開啟瞬間

在可控硅開啟瞬間需要重點(diǎn)關(guān)注dI/dt，尤其是在斬波應(yīng)用當(dāng)中，采用過零導(dǎo)通方式其dI/dt相對比較小。dI/dt超標(biāo)問題同樣也可以利用阻容回路來抑制電流的變化率。

3.1.3 ON：通態(tài)

可控硅導(dǎo)通期間，應(yīng)該重點(diǎn)評估可控硅溫升問題，需要注意的是塑封的可控硅溫度最高點(diǎn)在可控硅背面，可以適當(dāng)選擇高結(jié)溫的可控硅。同時需要關(guān)注結(jié)溫對其他參數(shù)帶來的影響，及關(guān)鍵參數(shù)的降額。

3.1.4 TURN-OFF：關(guān)斷瞬間

在可控硅關(guān)斷瞬間需要重點(diǎn)關(guān)注(dI/dt)c和(dV/dt)c這兩個參數(shù)，也即可控硅的換象能力，需要注意的是這與dV/dt和dI/dt這兩個參數(shù)是不一樣的。當(dāng)可控硅在切換象限的時候，電壓的變化率(dV/dt)c較高，這個時候比較高的電壓沖擊對可控硅兩邊產(chǎn)生比較高的負(fù)荷，所以如果參數(shù)本身抵抗能力較弱的情況下，可控硅就比較容易被打壞；(dI/dt)c也是類似的情況，可控硅換象限的時候，沖擊電流會比較大，如果可控硅的抗電流沖擊的能力比較差，也就比較容易被打壞。

3.2 家電產(chǎn)品中阻性加熱負(fù)載可靠使用可控硅控制的要點(diǎn)

斬波控制存在dV/dt、dI/dt，存在對于對可控硅的壽命不利，同時會帶來很高的EMC設(shè)計成本，在家電加熱負(fù)載中功率相對比較大，建議選擇零電壓開關(guān)即在電壓零點(diǎn)附近進(jìn)行觸發(fā)的方案，避免系統(tǒng)帶來的電壓、電流沖擊。

3.2.1 IGT門極觸發(fā)電流

門極觸發(fā)電流是保證可控硅可靠導(dǎo)通的門極電流，應(yīng)該注意的是IGT受溫度的影響較大，變化曲線如圖9所示，當(dāng)結(jié)溫較低時，所需要達(dá)到的IGT越來越大；當(dāng)結(jié)溫較高時，所需要達(dá)到的IGT越來越小，也即越來越敏感。并且也可以看出工作在不同象限所需要的IGT變化曲線也是不同的，當(dāng)結(jié)溫較高時，工作在Q1象限的門極觸發(fā)電流會稍大于Q3象限的門極觸發(fā)電流。所以在設(shè)計驅(qū)動電路時，需要使門極觸發(fā)電流大于兩倍或者三倍的IGT。同時為了提高可控硅的抗干擾能力，在可控硅選型的時候，可以適當(dāng)選擇觸發(fā)電流大一點(diǎn)的可控硅，可以避免外界雜波對門極的干擾，引起誤觸發(fā)。

圖9 門極驅(qū)動電流、驅(qū)動電壓與結(jié)溫的關(guān)系

3.2.2 IT(RMS)：均方根通態(tài)電流

圖10為通態(tài)電流與殼溫特性曲線，根據(jù)殼溫的變化，其通態(tài)電流會降低。在方案設(shè)計初期，務(wù)必對可控硅的溫升進(jìn)行評估計算，選擇合適的散熱器。

圖10 導(dǎo)通電流有效值和殼溫關(guān)系

3.2.3 VDRM/VRRM：可重復(fù)峰值斷態(tài)電壓

可控硅選型時，需要保證均方根通態(tài)電流和可重復(fù)峰值斷態(tài)電壓有足夠的降額，盡量保證降額至60%使用。

3.2.4 VGT和VGD

VGT：門極觸發(fā)電壓，為提供足夠的門極觸發(fā)電流所應(yīng)該達(dá)到的門極觸發(fā)電壓，且該門極觸發(fā)電壓與IGT相同，也與可控硅的工作結(jié)溫關(guān)系密切，變化曲線可以參考圖9。

VGD：門極不觸發(fā)電壓，為保證可控硅的可靠關(guān)斷，需要保證門極電壓不超過該電壓值。

3.2.5 IH和IL

IH：保持電流，即可控硅IT電流低于保持電流IH，可控硅才自動關(guān)斷；

IL：閉鎖電流，即可控硅IT電流大于閉鎖電流IL，可控硅才能完全導(dǎo)通。

4 家電產(chǎn)品中阻性加熱負(fù)載應(yīng)用可控硅控制時的電磁干擾一致性設(shè)計要點(diǎn)

通過對可控硅的特性及應(yīng)用要點(diǎn)分析，可總結(jié)出如下兩點(diǎn)。

1）門極觸發(fā)電流IGT的大小受溫度影響，溫度越低，IGT越大，可控硅的導(dǎo)通瞬間dV/dt和dI/dt越大，隨著可控硅工作自身溫度變高，其導(dǎo)通瞬間dV/dt和dI/dt會變??；

2）不同象限的門極驅(qū)動電流不同，比如第三象限的門極觸發(fā)電流要比第一象限大，則在第三象限提供驅(qū)動信號時，則產(chǎn)生的dV/dt和dI/dt會更大。

在應(yīng)用選型和電路設(shè)計上務(wù)必牢記以上兩點(diǎn)，否組系統(tǒng)工作時很容易出現(xiàn)電磁干擾如騷擾電壓、騷擾功率等實(shí)驗(yàn)不合格或者測試結(jié)果一致性差的情況?，F(xiàn)從可控硅工作必需的過零信號檢測和驅(qū)動信號的設(shè)計上需要注意的事項(xiàng)進(jìn)行分析。

4.1 過零信號檢測電路的設(shè)計和信號采集

可控硅無論是斬波控制還是零電壓開關(guān)即過零導(dǎo)通控制方案，其控制上均需要檢測交流電壓的零點(diǎn)電壓。50 Hz的市電在20 ms周期有2個過零點(diǎn)，從負(fù)到正的過零點(diǎn)稱為正向過零，從正到負(fù)的過零點(diǎn)稱為負(fù)向過零，過零檢測技術(shù)據(jù)此可分為單向過零檢測和雙向過零檢測[3]。過零檢測電路通過一定的手段檢測出電壓零點(diǎn)的時刻，確保后續(xù)的處理裝置能夠準(zhǔn)確地檢測到該信號從而實(shí)施相應(yīng)的控制策略。

使用單向過零和雙向過零檢測技術(shù)時，必須在理論上分析其采樣到的過零點(diǎn)和真實(shí)過零點(diǎn)是否存在偏差，以及不同工作條件下的一致性情況，理論上要求采樣和真實(shí)的零點(diǎn)偏差小而且一致性好。如果系統(tǒng)獲取的過零信號存在一些不足，需要通過其它一些手段進(jìn)行彌補(bǔ)，包括硬件參數(shù)的選型規(guī)避、軟件補(bǔ)償?shù)鹊取?/p>

過零信號須選擇上升沿、下降沿或邊沿觸發(fā)等硬件中斷觸發(fā)方式，并設(shè)置中斷為較高優(yōu)先級，查詢方式理論上存在一個比較大的最小誤差比如100 us，為此不建議使用查詢方式采集過零信號。

4.2 可控硅驅(qū)動信號產(chǎn)生的設(shè)計

可控硅的驅(qū)動信號優(yōu)先選擇MCU硬件產(chǎn)生，如芯片MCU資源有限無法由硬件產(chǎn)生驅(qū)動信號，需使用中斷應(yīng)用程序?qū)O口的高低電平來產(chǎn)生驅(qū)動信號的條件下，則務(wù)必選擇較高優(yōu)先級別的中斷，確保驅(qū)動信號準(zhǔn)確發(fā)出。

對于零電壓開關(guān)的應(yīng)用方案減小可控硅導(dǎo)通瞬間A1和A2的電壓是解決EMC的有效方法，圖11是雙向可控硅的典型應(yīng)用電路，門極觸發(fā)電壓取決于R5以及限流電阻R4的大小，兩個電阻的選型將影響到系統(tǒng)的電磁干擾性能。在硬件上可以減小限流電阻R5以及減少驅(qū)動信號和過零信號之間的時間間隔，但要評估好不同工作條件下可控硅導(dǎo)通時刻的一致性。如果硬件電路上無法保證各象限導(dǎo)通時刻的電壓值一致，可考慮在軟件上確保在同一象限開通，在軟件上避免在第三象限產(chǎn)生觸發(fā)信號可以有效改善EMC的傳導(dǎo)效果。

圖11 雙向可控硅驅(qū)動電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖12、圖13分別對應(yīng)限流電阻為510 Ω、255 Ω時可控硅A1、A2的波形，dV/dt分別約為91 mV/us、80 mV/us，即限流電阻越小則產(chǎn)生的電磁干擾越小，圖14白色部分是通過示波器監(jiān)控A1、A2電壓波形，時間坐標(biāo)ΔX = 580 us，理論上希望ΔX 數(shù)值小且一致性好。

圖12 限流電阻為510 Ω時A1、A2波形

圖13 限流電阻為255 Ω時A1、A2波形

圖14 白色為開通時刻A1、A2兩端的電壓

5 總結(jié)語

通過對雙向可控硅的關(guān)鍵參數(shù)和四個工作狀態(tài)分析，輸出雙向可控硅在四種狀態(tài)中需要重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)指標(biāo)、提高抗干擾的一些措施，以及門極驅(qū)動電流、均方根通態(tài)電流IT（RMS）等設(shè)計選型要求，保證系統(tǒng)可靠工作。在電磁干擾一致性設(shè)計方面，圍繞過零信號檢測和雙向可控硅驅(qū)動信號的設(shè)計，采用硬件和軟件相融合思想，在過零信號軟件采集、驅(qū)動信號電路的參數(shù)選型等方面進(jìn)行分析，并驗(yàn)證限流電阻大小對dV/dt的影響等。在設(shè)計上最大程度降低電磁干擾和干擾的穩(wěn)定性。