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双向可控硅应用.pdf

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上传者: 1024162038 2011-09-02 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《双向可控硅应用pdf》,可适用于工程科技领域,主题内容包含PhilipsSemiconductorsApplicationNote闸流管和双向可控硅成功应用的十条黄金规则ANPhilipsSemicondu符等。

PhilipsSemiconductorsApplicationNote闸流管和双向可控硅成功应用的十条黄金规则ANPhilipsSemiconductors闸流管和双向可控硅成功应用的十条黄金规则ApplicationNoteANApplicationNote闸流管和双向可控硅成功应用的十条黄金规则ANAuthorNickHamNumberofpages:Date:JanKoninklijkePhilipsElectronicsNVAllrightsarereservedReproductioninwholeorinpartisprohibitedwithoutthepriorwrittenconsentofthecopyrightownerTheinformationpresentedinthisdocumentdoesnotformpartofanyquotationorcontract,isbelievedtobeaccurateandreliableandmaybechangedwithoutnoticeNoliabilitywillbeacceptedbythepublisherforanyconsequenceofitsusePublicationthereofdoesnotconveynorimplyanylicenseunderpatentorotherindustrialorintellectualpropertyrightsPhilipsSemiconductors闸流管和双向可控硅成功应用的十条黄金规则ApplicationNoteAN这篇技术文献的目标是提供有趣的、描述性的、实际的介绍帮助读者在功率控制方面成功应用闸流管和双向可控硅提出指导工作的十条黄金规则。闸流管闸流管是一种可控制的整流管由门极向阴极送出微小信号电流即可触发单向电流自阳极流向阴极。导通让门极相对阴极成正极性使产生门极电流闸流管立即导通。当门极电压达到阀值电压VGT并导致门极电流达到阀值IGT经过很短时间tgt(称作门极控制导通时间)负载电流从正极流向阴极。假如门极电流由很窄的脉冲构成比方说μs它的峰值应增大以保证触发。当负载电流达到闸流管的闩锁电流值IL时即使断开门极电流负载电流将维持不变。只要有足够的电流继续流动闸流管将继续在没有门极电流的条件下导通。这种状态称作闩锁状态。注意VGTIGT和IL参数的值都是下的数据。在低温下这些值将增大所以驱动电路必须提供足够的电压、电流振幅和持续时间按可能遇到的、最低的运行温度考虑。规则为了导通闸流管(或双向可控硅)必须有门极电流IGT直至负载电流达到IL。这条件必须满足并按可能遇到的最低温度考虑。灵敏的门极控制闸流管如BT容易在高温下因阳极至阴极的漏电而导通。假如结温Tj高于Tjmax,将达到一种状态此时漏电流足以触发灵敏的闸流管门极。闸流管将丧失维持截止状态的能力没有门极电流触发已处于导通。要避免这种自发导通可采用下列解决办法中的一种或几种:确保温度不超过Tjmax。采用门极灵敏度较低的闸流管如BT或在门极和阴极间串入kΩ或阻值更小的电阻降低已有闸流管的灵敏度。若由于电路要求不能选用低灵敏度的闸流管可在截止周期采用较小的门极反向偏流。这措施能增大IL。应用负门极电流时特别要注意降低门极的功率耗散。截止(换向)要断开闸流管的电流需把负载电流降到维持电流IH之下并历经必要时间让所有的载流子撤出结。在直流电路中可用“强迫换向”而在交流电路中则在导通半周终点实现。(负载电路使负载电流降到零导致闸流管断开称作强迫换向。)然后闸流管将回复至完全截止的状态。假如负载电流不能维持在IH之下足够长的时间在阳极和阴极之间电压再度上升之前闸流管不能回复至完全截止的状态。它可能在没有外部门极电流作用的情况下回到导通状态。注意IH亦在室温下定义和IL一样温度高时其值减小。所以为保证成功的切换电路应充许有足够时间让负载电流降到IH之下并考虑可能遇到的最高运行温度。规则要断开(切换)闸流管(或双向可控硅)负载电流必须<IH,并维持足够长的时间使能回复至截止状态。在可能的最高运行温度下必须满足上述条件。双向可控硅双向可控硅可看作为“双向闸流管”因为它能双向导通。对标准的双向可控硅电流能沿任一方向在主端子MT和MT间流动用MT和门极端子间的微小信号电流触发。PhilipsSemiconductors闸流管和双向可控硅成功应用的十条黄金规则ApplicationNoteAN导通和闸流管不同双向可控硅可以用门极和MT间的正向或负向电流触发。(VGTIGT和IL的选择原则和闸流管相同见规则)因而能在四个“象限”触发如图所示。在负载电流过零时门极用直流或单极脉冲触发优先采用负的门极电流理由如下。若运行在象限由于双向可控硅的内部结构门极离主载流区域较远导致下列后果:高IGT>需要高峰值IG。由IG触发到负载电流开始流动两者之间迟后时间较长–>要求IG维持较长时间。低得多的dITdt承受能力>若控制负载具有高dIdt值(例如白炽灯的冷灯丝)门极可能发生强烈退化。高IL值(工况亦如此)>对于很小的负载若在电源半周起始点导通可能需要较长时间的IG才能让负载电流达到较高的IL。在标准的AC相位控制电路中如灯具调光器和家用电器转速控制门极和MT的极性始终不变。这表明工况总是在和象限这里双向可控硅的切换参数相同。这导致对称的双向可控硅切换门极此时最灵敏。说明:以和标志四个触发象限完全是为了简便例如用取代“MTG”等等。这是从双向可控硅的VI特性图导出的代号。正的MT相应正电流进入MT相反也是(见图)。实际上工况只能存在和象限中。上标和分别表示门极输入或输出电流。规则设计双向可控硅触发电路时只要有可能就要避开象限(MTG)。其它导通方式还有一些双向可控硅的导通方式是我们不希望发生的。其中有些不损伤设备另一些则可能破坏设备。(a)电子噪声引发门极信号在电子噪声充斥的环境中若干扰电压超过VGT并有足够的门极电流就会发生假触发导致双向可控硅切换。第一条防线是降低临近空间的杂波。门极接线越短越好并确保门极驱动电路的共用返回线直接连接到MTI管脚(对闸流管是阴极)。若门极接线是硬线可采用螺旋双线或干脆用屏蔽线这些必要的措施都是为了降低杂波的吸收。为增加对电子噪声的抵抗力可在门极和MT之间串入kΩ或更小的电阻以此降低门极的灵敏度。假如已采用高频旁路电容建议在该电容和门极间加入电阻以降低通过门极的电容电流的峰值减少双向可控硅门极区域为过电流烧毁的可能。另一解决办法选用H系列的双向可控硅(例如BTH)。这些是低灵敏度型号规格mAminIGT专为增强抗干扰能力所设计。PhilipsSemiconductors闸流管和双向可控硅成功应用的十条黄金规则ApplicationNoteAN规则为减少杂波吸收门极连线长度降至最低。返回线直接连至MT(或阴极)。若用硬线用螺旋双线或屏蔽线。门极和MT间加电阻kΩ或更小。高频旁路电容和门极间串接电阻。另一解决办法选用H系列低灵敏度双向可控硅。(b)超过最大切换电压上升率dVCOMdt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(见图)。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若超过允许的dVCOMdt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。高dVCOMdt承受能力受二个条件影响:dICOMdt为切换时负载电流下降率。dICOMdt高则dVCOMdt承受能力下降。接面温度Tj越高dVCOMdt承受能力越下降。假如双向可控硅的dVCOMdt的允许值有可能被超过为避免发生假触发可在MT和MT间装置RC缓冲电路以此限制电压上升率。通常选用Ω的能承受浪涌电流的碳膜电阻nF的电容。另一种选择采用HiCom双向可控硅注意缓冲电路中无论如何不能省略电阻。没有这限流电阻电容向双向可控硅释放电荷时可能形成高的dITdt在不利的切换条件下有破坏性。(c)超出最大的切换电流变化率dICOMdt导致高dICOMdt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。非正弦波负载电流和高dICOMdt的常见原因是整流供电的电感性负载。常常导致普通双向可控硅切换失败一旦电源电压降到负载反电势之下双向可控硅电流向零跌落。该效应见图。双向可控硅处于零电流状态时负载电流绕着桥式整流器“空转”。这类负载产生的dICOMdt如此之高使双向可控硅甚至不能支持Hz波形由零上升时不大的dVdt。这里增加缓冲电路并无好处因为dVCOMdt不是问题所在。增加一个几mH的电感和负载串连可以限制dICOMdt。另一种解决办法采用HiCom双向可控硅。(d)超出最大的断开电压变化率dVDdt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(见图)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MT和MT间(或阳极和阴极间)应该加上RC缓冲电路以限制dVDdt。若用的是双向可控硅采用HiCom型双向可控硅更为有利。PhilipsSemiconductors闸流管和双向可控硅成功应用的十条黄金规则ApplicationNoteAN规则若dVDdt或dVCOMdt可能引起问题在MT和MT间加入RC缓冲电路。若高dICOMdt可能引起问题加入一几mH的电感和负载串联。另一种解决办法,采用HiCom双向可控硅。(e)超出截止状态下反复电压峰值VDRM遇到严重的、异常的电源瞬间过程MT电压可能超过VDRM此时MT和MT间的漏电将达到一定程度并使双向可控硅自发导通(见图)。若负载允许高涌入电流通过在硅片导通的小面积上可能达到极高的局部电流密度。这可能导致硅片的烧毁。白炽灯、电容性负载和消弧保护电路都可能导致强涌入电流。由于超过VDRM或dVDdt导致双向可控硅导通这不完全威胁设备安全。而是随之而来的dITdt很可能造成破坏。原因是导通扩散至整个结需要时间此时允许的dITdt值低于正常情况下用门极信号导通时的允许值。假如过程中限制dITdt到一较低的值双向可控硅可能可以幸存。为此可在负载上串联一个几μH的不饱和(空心)电感。假如上述解决方法不能接受或不实际可代替的方法是增加过滤和箝位电路防止尖峰脉冲到达双向可控硅。可能要用到金属氧化物变阻器(MOV)作为“软”电压箝位器跨接在电源上MOV上游增加电感、电容滤波电路。有些厂家怀疑电路中采用MOV是否可靠因为他们得知在高温环境下MOV会失控并导致严重事故。原因是它们的工作电压有显著的负温度系数。但是假如推荐电压等级VRMS用于V电源MOV事故的可能极其微小。选用VRMS往往会发生事故对于高温下的V电源这是不够的。规则假如双向可控硅的VDRM在严重的、异常的电源瞬间过程中有可能被超出采用下列措施之一:负载上串联电感量为几μH的不饱和电感以限制dITdt用MOV跨接于电源并在电源侧增加滤波电路。导通时的dITdt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dITdt可能导致局部烧毁并使MTMT短路。若在象限触发局部的机理进一步降低dITdt的许可值。初始的、急剧的电流上升率可立即使门极进入反向雪崩击穿状态。这可能不会立即导致破坏。反复作用下门极MT结将逐步地烧毁阻值下降。表现为IGT逐步上升直至双向可控硅不能再触发。高灵敏的双向可控硅容易受到影响。HiCom双向可控硅不工作在象限所以不受此影响。高dITdt承受能力决定于门极电流上升率dIGdt和峰值IG。较高的dIGdt值和峰值IG(不超出门极功率条件下)就有较高的dITdt承受能力。规则选用好的门极触发电路避开象限工况可以最大限度提高双向可控硅的dITdt承受能力。前面已提到过具有高初始涌入电流的常见负载是白炽灯冷态下电阻低。对于这种电阻性负载若在电源电压的峰值开始导通dITdt将具有最大值。假如这值有可能超过双向可控硅的dITdt值最好在负载上串联一只几μH的电感加以限制或串联负温度系数的热敏电阻。重申电感在最大电流下不能饱和。一旦饱和电感将跌落再也不能限制dITdt。无铁芯的电感符合这个条件。一个更巧妙的解决办法是采用零电压导通不必接入任何限制电流的器件。电流可以从正弦波起点开始逐渐上升。注意:应该提醒零电压导通只能用在电阻性负载。对于电感性负载由于电压和电流间存在相位差使用这方法会引起“半波”或单极导通可能使电感性负载饱和导致破坏性的高峰电流以及过热。这种场合更先进的控制技术采用零电流切换或变相位角触发。PhilipsSemiconductors闸流管和双向可控硅成功应用的十条黄金规则ApplicationNoteAN规则若双向可控硅的dITdt有可能被超出负载上最好串联一个几μH的无铁芯电感或负温度系数的热敏电阻。另一种解决办法:对电阻性负载采用零电压导通。断开由于双向可控硅用于交流电路自然在负载电流每个半周的终点断开除非门极电流设置为后半周起点导通。对IH的规则和闸流管相同见规则。HiCom双向可控硅HiCom双向可控硅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:高dVCOMdt。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。高dICOMdt。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dICOMdt。高dVDdt。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dVdt下的假触发而导通。HiCom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。内部结构差别的另一反映是象限触发是不可能的。在大部分情况下这不成为问题因为这个触发象限最少描述也最少应用。所以直接用HiCom双向可控硅取代相当型号的传统双向可控硅几乎总是可以的。HiCom双向可控硅在飞利浦的二份资料中有详细介绍:Factsheet–HiCom双向可控硅原理Factsheet–HiCom双向可控硅应用。双向可控硅按装方法对负载小或电流持续时间短(小于秒钟)的双向可控硅可在自由空间工作。但大部分情况下需要安装在散热器或散热的支架上。双向可控硅固定到散热器的主要方法有三种夹子压接、螺栓固定和铆接。前二种方法的安装工具很容易取得。很多场合下铆接不是一种推荐的方法。夹子压接这是推荐的方法热阻最小。夹子对器件的塑封施加压力。这同样适用于非绝缘封装(SOT和SOT)和绝缘封装(SOTFpack和更新的SOTAXpack)。注意:SOT就是TOAB。螺栓固定SOT组件带有M成套安装零件包括矩形垫圈垫圈放在螺栓头和接头片之间。应该不对器件的塑料体施加任何力量。安装过程中螺丝刀决不能对器件塑料体施加任何力量。和接头片接触的散热器表面应处理保证平坦mm上允许偏差mm。安装力矩(带垫圈)应在Nm和Nm之间。应避免使用自攻丝螺钉因为挤压可能导致安装孔周围的隆起影响器件和散热器之间的热接触(见上面第点)。安装力矩无法控制也是这种安装方法的缺点。器件应首先机械固定然后焊接引线。这可减少引线的不适当应力。铆接除非十分小心铆接不是推荐的安装方法因为这种操作中可能产生很大的力可能使接口变形晶片裂纹器件损坏。假如要采用铆接为了减少废品必须遵守下列规则:散热器必须为器件提供一个平整、光洁的表面。散热器安装孔的直径不要比器件接头片安装孔的直径大。铆钉应和接头片孔有间隙而和散热器安装孔无间隙。器件接口片一侧应是铆钉头而不是心轴。铆钉和接口应成度(铆钉头在整个园周上和接口片相接触)。铆接后铆钉头不接触器件的塑料体。PhilipsSemiconductors闸流管和双向可控硅成功应用的十条黄金规则ApplicationNoteAN先把器件固定散热器装上印刷线路板然后焊接引线。这可把引线的应力降到最小。规则器件固定到散热器时避免让双向可控硅受到应力。固定然后焊接引线。不要把铆钉芯轴放在器件接口片一侧。热阻热阻Rth是限制热流自结散出的热阻。热阻和电阻是相似的概念。如同电阻公式R=VI有相应的热阻公式Rth=TP这里T是温升以K(Kelvin)为单位P是功率耗散以W为单位因此Rth的单位为KW。对于垂直安装在大气中的器件热阻决定于结至环境热阻Rthja。对SOT组件的典型数据是KW对SOT组件是KW而对绝缘的Fpack和Xpack为KW。对于安装在散热器上的非绝缘器件结至环境热阻是个总值由结至安装基面热阻、安装基面至散热器热阻和散热器至环境热阻相加。Rthja=RthjmbRthmbhRthha(非绝缘组件)在器件和散热器之间加入导热添加剂或薄片是一种推荐的方法。绝缘组件采用这种安装方法时安装基面不再是一种基准因为Rthmbh成为一常数是采用导热添加剂的最佳值。所以结至环境热阻是结至散热器和散热器至环境两热阻之和。Rthja=RthjhRthha(绝缘组件)Rthjmb和Rthjh是确定的对每一器件的数据可在其资料中查到。Rthmbh可在安装手册中查到根据是绝缘安装还是非绝缘安装是否添加导热添加剂。Rthha决定于散热器尺寸和空气自由流动的程度。散热器尺寸计算对给定的双向可控硅和负载电流要计算需要的散热器热阻首先要根据下列公式确定双向可控硅的功率耗散:P=VoIT(AVE)RSIT(RMS)拐点电压Vo和斜率电阻RS可从SC手册的VT图取得。若数据没有直接列出可通过作图取得。对最大VT曲线作一切线切线和VT轴线的交点给出Vo值切线斜率(VTIT)给出RS。应用前面的热阻公式:Rthja=TP在最高环境温度下结温Tj升至最高允许结温Tjmax由此得出结温最大允许提升值。这提供温升T。根据选定的安装方法SC手册提供Rthjmb和Rthmbh数据。应用前面的热阻公式Rthja=RthjmbRthmbhRthha可最后求得散热器热阻Rthha。热阻抗前面的热阻计算只适用于稳定状态即过程时间大于秒。这条件下热量才有足够的时间从结传送到散热器。对持续时间短于秒的电流脉冲或瞬间过程散热器的效果大为减弱。热量只在器件内部扩散很少传到散热器。对于这种瞬间过程结的温升决定于结至安装基面的热阻抗Zthjmb。随着电流脉冲持续时间减小Zthjmb下降因为芯片加热减少。假如持续时间增大接近秒Zthjmb增大至稳定状态的热阻值Rthjmb。手册SC提供每种器件的Zthjmb曲线适用于持续时间低至μs的双向或单向的电流。规则为了长期可靠工作应保证Rthja足够低维持Tj不高于Tjmax,其值相应于可能的最高环境温度。规格范围和封装方式飞利浦的闸流管由A的SOT(TO)到A的SOT(TOAB)。飞利浦的双向可控硅由A的SOT至A的SOT。传统的型号(四象限触发)和HiCom型号(三象限触发)都有供应。SOT计划在年前提供。最小的组件是表面安装的SOT用于较小的闸流管和双向可控硅(图)。组件焊接在印刷线路板上散热决定于印刷线路板的散热性能。同样的芯片也以SOT封装供应这是不绝缘组件(图)。组件的散热得到改善因为散热器热流高热量逸散好。图显示SOT其中装的是最小的器件。比适用SOT的芯片更小的芯片采用这封装。这种组件最紧凑不是表面安装。SOT是最常见的不绝缘组件我们的大部分器件以这种封装供应(图)。PhilipsSemiconductors闸流管和双向可控硅成功应用的十条黄金规则ApplicationNoteAN图是SOT(Fpack)。这一直是飞利浦传统的绝缘组件。在清洁的状态下器件和散热器间可承受V电压峰值。较近期的SOTA组件(Xpack)见图和老型号相比有很多优点:其管脚间距和SOT组件完全相同所以它可直接取代SOT器件并提供绝缘而不必修改安装设置。它的接口片顶部不暴露金属管脚至散热器漏电距离较大。因而能提供绝缘电压VRMS大为改善。它是完全密封的SOT取代品。PhilipsSemiconductors闸流管和双向可控硅成功应用的十条黄金规则ApplicationNoteANPhilipsSemiconductors闸流管和双向可控硅成功应用的十条黄金规则ApplicationNoteANPhilipsSemiconductors闸流管和双向可控硅成功应用的十条黄金规则ApplicationNoteAN十条黄金规则汇总规则为了导通闸流管(或双向可控硅)必须有门极电流IGT直至负载电流达到IL。这条件必须满足并按可能遇到的最低温度考虑。规则要断开(切换)闸流管(或双向可控硅)负载电流必须<IH,并维持足够长的时间使能回复至截止状态。在可能的最高运行温度下必须满足上述条件。规则设计双向可控硅触发电路时只要有可能就要避开象限(WT)。规则为减少杂波吸收门极连线长度降至最低。返回线直接连至MT(或阴极)。若用硬线用螺旋双线或屏蔽线。门极和MT间加电阻kΩ或更小。高频旁路电容和门极间串接电阻。另一解决办法选用H系列低灵敏度双向可控硅。规则若dVDdt或dVCOMdt可能引起问题在MT和MT间加入RC缓冲电路。若高dICOMdt可能引起问题加入一几mH的电感和负载串联。另一种解决办法采用HiCom双向可控硅。规则假如双向可控硅的VDRM在严重的、异常的电源瞬间过程中有可能被超出采用下列措施之一:负载上串联电感量为几μH的不饱和电感以限制dITdt用MOV跨接于电源并在电源侧增加滤波电路。规则选用好的门极触发电路避开象限工况可以最大限度提高双向可控硅的dITdt承受能力。规则若双向可控硅的dITdt有可能被超出负载上最好串联一个几μH的无铁芯电感或负温度系数的热敏电阻。另一种解决办法:对电阻性负载采用零电压导通。规则器件固定到散热器时避免让双向可控硅受到应力。固定然后焊接引线。不要把铆钉芯轴放在器件接口片一侧。规则为了长期可靠工作应保证Rthja足够低维持Tj不高于Tjmax,其值相应于可能的最高环境温度。

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