普通可控硅及双向可控硅的应用

普通可控硅及双向可控硅的应用 普通可控硅与双向可控硅的应用 1 目录 前言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 第一章 普通可控硅„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4 第一节 可控硅概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 第二节 普通可控硅工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„„5 第三节 普通可控硅的主要参数„„„„„„„„„„„„„„„„8 第二章 双向可控硅„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 9 第一节 双向可控硅特点„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 第二节 双向可控硅应用„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 第三节 双向可控硅的安装„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 19 2 前言 1958年，从美国通用电气公司研制成功第一个工业用可控硅开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组、静止的离子变流器进入以电力半导体器件组成的变流器时代。至今可控硅及其派生器件广泛应用于各种变流器，并且还在发展中。由于其具有体积小、重量轻功耗小、效率高、响应快等特点，用它构成的变流装置具有可靠性高、寿命长、容易维护等优点，特别是它可节约能源、成本低廉，所以得到飞速的发展，成为目前工业中实现大容量功率变换和控制的主要电力电子器件。 双向可控硅是在普通可控硅的基础上发展而成的，它不仅能代替两只反极性并联的可控硅，而且仅需一个触发电路，是目前比较理想的交流开关器件，所以，一直为家电行业中主要的功率控制器件。 下面对可控硅尤其是广泛应用于家电行业的双向可控硅的应用作以研究。 3 第一章 普通可控硅 第一节 可控硅概述 可控硅，一种以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四层三端器件，由于它特性类似于真空闸流管，所以国际上通称为硅晶体闸流管(Thyristor)，简称晶闸管。又由于晶闸管最初应用于可控整流方面所以又称为硅可控整流元件，简称为可控硅(SCR)。它具有硅整流器件的特性，是一种大功率开关型半导体器件，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以毫安级电流控制，被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中，是目前工业中实现大容量功率变换和控制的主要电力电子器件。 可控硅的优点很多，例如:以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍;反应极快，在微秒级内开通、关断;无触点运行，无火花、无噪音;效率高，成本低等等。 可控硅有多种分类方法。 1(按关断、导通及控制方式分类:可控硅按其关断、导通及控制方式可分为普通可控硅、双向可控硅、逆导可控硅、门极关断可控硅(GTO)、BTG可控硅、温控可控硅和光控可控硅等多种。 2(按引脚和极性分类:可控硅按其引脚和极性可分为二极可控硅、三极可控硅和四极可控硅。 3(按封装形式分类:可控硅按其封装形式可分为金属封装可控硅、塑封可控硅和陶瓷封装可控硅三种类型。其中，金属封装可控硅又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种;塑封可控硅又分为带散热片型和不带散热片型两种。 4(按电流容量分类:可控硅按电流容量可分为大功率可控硅、中功率可控硅和小功率可控硅三种。通常，大功率可控硅多采用金属壳封装，而中、小功率 4 可控硅则多采用塑封或陶瓷封装。 5(按关断速度分类:可控硅按其关断速度可分为普通可控硅和高频(快速)可控硅。 可控硅这一名称，既代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 其族系的总称，亦代表大量广泛使用的普通可控硅。 第二节 普通型可控硅工作原理 一、结构及工作原理 可控硅(后面提到的可控硅指普通型可控硅)是四层三端器件，它有J1、J2、J3三个PN，可以把它中间的NP分成两部分，构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管，如图1-1。 图1-1可控硅结构示意图 当可控硅承受正向阳极电压时，为使可控硅导通，必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。图1-1中每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。因此，两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门极电流Ig流入时，就会形成强烈的正反馈，造成两晶体管饱和导通，晶体管饱和导通。设PNP管和NPN管的集电极电流相应为Ic1和Ic2;发射极电流相应为Ia和Ik;电流放大系数相应为a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik，设流过J2结的反相漏电电流为Ic0。 晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和: 5 Ia=Ic1+Ic2+Ic0 或Ia=a1Ia+a2Ik+Ic0 若门极电流为Ig,则晶闸管阴极电流为Ik=Ia+Ig 从而可以得出晶闸管阳极电流为:I=(Ic0+Iga2)/(1-(a1+a2))(1—1)式 硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数a1和a2随其发射极电流的改变而急剧变化如图1-2所示。 图1-2硅晶体管电流放大倍数曲线 当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未受电压的情况下，式(1—1)中，Ig=0,(a1+a2)很小，故晶闸管的阳极电流Ia?Ic0 晶闸关处于正向阻断状态。当晶闸管在正向阳极电压下，从门极G流入电流Ig,由于足够大的Ig流经NPN管的发射结，从而提高其电流放大系数a2,产生足够大的集电极电流Ic2流过PNP管的发射结，并提高了PNP管的电流放大系数a1,产生更大的集电极电流Ic1流经NPN管的发射结。这样强烈的正反馈过程迅速进行。从图1-2，当a1和a2随发射极电流增加而(a1+a2)?1时，式(1—1)中的分母1-(a1+a2)?0,因此提高了晶闸管的阳极电流Ia.这时，流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定。晶闸管已处于正向导通状态。 式(1—1)中，在晶闸管导通后，1-(a1+a2)?0,即使此时门极电流Ig=0,晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通。晶闸管在导通后，门极已失去作用。 在晶闸管导通后，如果不断的减小电源电压或增大回路电阻，使阳极电流Ia减 6 小到维持电流IH以下时，由于a1和a1迅速下降，当1-(a1+a2)?0时，晶闸管恢复阻断状态。 二、基本伏安特性 可控硅的基本伏安特性见图1-3 图1-3 可控硅基本伏安特性 1(反向特性 当控制极开路，阳极加上反向电压时，J2结正偏，但J1、J3结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提高到J1结的雪崩击穿电压后，接着J3结也击穿，电流迅速增加，图3的特性开始弯曲，如特性OR段所示，弯曲处的电压URO叫“反向转折电压”。此时，可控硅会发生永久性反向击穿。 2(正向特性 当控制极开路，阳极上加上正向电压时，J1、J3结正偏，但J2结反偏，这与普通PN结的反向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态，当电压增加，图3的特性发生了弯曲，如特性OA段所示，弯曲处的是UBO叫:正向转折电压 由于电压升高到J2结的雪崩击穿电压后，J2结发生雪崩倍增效应，在结区产生大量的电子和空穴，电子进入N1区，空穴进入P2区。进入N1区的电子与由P1区通过J1结注入N1区的空穴复合，同样，进入P2区的空穴与由N2区通过J3结注入P2区的电子复合，雪崩击穿，进入N1区的电子与进入P2区的空穴各自不能全部复合掉，这样，在N1区就有电子积累，在P2区就有空穴积累，结 7 果使P2区的电位升高，N1区的电位下降，J2结变成正偏，只要电流稍增加，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图3的虚线AB段。 这时J1、J2、J3三个结均处于正偏，可控硅便进入正向导电状态---通态，此时，它的特性与普通的PN结正向特性相似，见图2中的BC段 3(触发导通 在控制极G上加入正向电压时因J3正偏，P2区的空穴时入N2区，N2区的电子进入P2区，形成触发电流IGT。在可控硅的内部正反馈作用(见图2)的基础上，加上IGT的作用，使可控硅提前导通，导致图3的伏安特性OA段左移，IGT越大，特性左移越快。 第三节 普通可控硅的主要参数 IT(AV)--通态平均电流 VDRM—断态重复峰值电压 VDSM—断态不重复峰值电压 VRRM--反向重复峰值电压 VRSM--反向不重复峰值电压 IRRM—反向重复峰值电流 IDRM--断态重复峰值电流 ITSM--通态一个周波不重复浪涌电流 VTM--通态峰值电压 IGT--门极触发电流 VGT--门极触发电压 IH--维持电流 IL--擎住电流 8 dv/dt--断态电压临界上升率 di/dt--通态电流临界上升率 Rthjc--结壳热阻 VISO--模块绝缘电压 Tjm--额定结温 VDRM--通态重复峰值电压 IF(AV)--正向平均电流值 第二章 双向可控硅 第一节 双向可控硅特点 双向可控硅可被认为是一对反并联连接的普通可控硅的集成，工作原理与普通单向可控硅相同，不再赘述。图2-1为它的的基本结构、等效电路，图2-2为 ，一个门极G。门极使器件在主电极的它的伏安特性。它有两个主电极T1和T2 正反两个方向均可触发导通，所以双向可控硅在第1和第3象限有对称的伏安特性。 图2-1双向可控硅结构及等效电路 9 图2-2双向可控硅伏安特性 双向可控硅门极加正、负触发脉冲都能使管子触发导通，因此有四种触发方 式，如图2-3。 图2-3双向可控硅四触发象限 10 图2-4双向可控硅四象限触发电路例子 当工况在1+和3-象限时，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。 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3+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: 1(高IGT —— 需要高峰值触发电流IG。 2. 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。 3. 低得多的dIT/dt 承受能力—— 若控制负载具有高dI/dt 值(例如白炽灯的冷灯丝)，门极可能发生强烈退化。若在3+象限触发，局部的机理进一步降低dIT/dt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，G-T1 结将逐步地烧毁。 4. 高IL 值(1-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。， 因此要避免双向可控硅工作在3+象限。 11 第二节 双向可控硅应用 为正常使用双向可控硅，要定量的掌握其主要参数对双向可控硅进行选用并采取相应措施以达到各参数的要求。 1(耐压级别的选择:通常把VDRM(断态重复峰值电压)和VRRM(反向重复峰值电压)中较小的值标作该器件的额定电压。选用时，额定电压应为正常工作峰值电压的2~3倍，作为允许的操作过电压裕量。见如图2-5: 图2-5双向可控硅伏安特性耐压注解 上图介绍了可控硅在控制过程中会出现的不同电压参数的关系，一共出现了三个电压值(在同一个电压方向上):VDRM、VDSM、Dreakdown Voltage。通常VDRM是VDSM(断态不重复峰值电压)的90%，但是前提条件是VDSM加在T1、T2两端的时间不能超过10mS，超过就会损坏～是不可逆的过程～阴影部分是绝对禁止越过的～ 2(电流的确定:由于双向可控硅通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示它的额定电流值。由于可控硅的过载能力比一般电磁器件小，因而一般家电中选用可控硅的电流值为实际工作电流值的2~3倍。同时，可控硅承 12 受断态重复峰值电压VDRM和反向重复峰值电压VRRM时的峰值电流应小于器件规定的IDRM和IRRM。 3(通态(峰值)电压VTM的选择:它是可控硅通以规定倍数额定电流时的瞬态峰值压降。为减少可控硅的热损耗，应尽可能选择VTM小的可控硅。 4(维持电流:IH是维持可控硅维持通态所必需的最小主电流，它与结温有关，结温越高，则IH越小。要断开可控硅的电流，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，导致可控硅断开，称作强迫换向。)然后，可控硅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，可控硅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，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。 5(电压上升率的抵制:dv/dt指的是在关断状态下电压的上升斜率，这是防止误触发的一个关键参数。此值超限将可能导致可控硅出现误导通的现象。由于可控硅的制造工艺决定了T2与G之间会存在寄生电容，如图2-6。我们知道dv/dt的变化在电容的两端会出现等效电流，这个电流就会成为Ig，也就是出现了触发电流，导致的结果是误触发。 图2-6双向可控硅等效示意图 13 1)切换电压上升率dVCOM/dt。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。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(dVCOM/dt)若超过允许值，会迫使双向可控硅回复导通状态，见图2-7。因为载流子没有充分的时间自结上撤出。 图2-7切换时的电流及电压变化 高dVCOM/dt 承受能力受二个条件影响: (1)dICOM/dt —切换时负载电流下降率。dICOM/dt 高，则dVCOM/dt 承受能力下降。 (2) 结面温度Tj 越高，dVCOM/dt 承受能力越下降。假如双向可控硅的dVCOM/dt 的允许值有可能被超过，为避免发生假触发，可在T1 和T2 间装置RC缓冲电路，以此限制电压上升率。通常选用47~100Ω的能承受浪涌电流的碳膜电阻，0.01uF~0.47uF的电容，晶闸管关断过程中主电流过零反向后迅速由反向峰值恢复至零电流，此过程可在元件两端产生达正常工作峰值电压5-6倍的尖峰电压。一般建议在尽可能靠近元件本身的地方接上阻容吸收回路。 2)断开状态下电压变化率dvD/dt。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，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，如图2-8。门极灵敏度随温度而升高。假如 14 发生这样的问题，T1 和T2 间(或阳极和阴极间)应该加上RC 缓冲电路，以限制dvD/dt。 图2-8信号超出dvD/dt导通双向可控硅 6(电流上升率的抑制:电流上升率的影响主要有下面二个方面: (1)dIT/dt(导通时的电流上升率)——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dIT/dt可能导致局部烧毁，并使T1-T2 短路。假如过程中限制dIT/dt 到一较低的值，双向可控硅可能可以幸存。因此，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或导通时的dIT/dt有可能被超出，可在负载上串联一个几μH的不饱和(空心)电感。 (2)dICOM/dt(切换电流变化率)——导致高dICOM/dt 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,它们引起的切换电流变化率超出最大的允许值，使双向可控硅甚至不能支持50Hz 波形由零上升时不大的dV/dt，加入一几mH 的电感和负载串联，可以限制dICOM/dt。 7(为了解决高dv/dt及di/dt引起的问题，还可以使用Hi-Com 双向可控硅，它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: (1) 高dVCOM/dt。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 15 功率耗散。 (2) 高dICOM/dt。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dICOM/dt。 (3) 高dvD/dt(断开状态下电压变化率)。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dV/dt 下的假触发而导通。Hi-Com 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。 8(门极参数的选用: (1)门极触发电流——为了使可控硅可靠触发，触发电流Igt选择25度时max值的α倍，α为门极触发电流—结温特性系数，查数据手册可得，取特性曲线中最低工作温度时的系数，如图2-9为SM2LZ47型号双向可控硅的特性曲线。若对器件工作环境温度无特殊需要，通常α取大于1.5倍即可。 图2-9门极触发电流-结温关系 (2)门极压降——可以选择Vgt 25度时max值的β倍。β为门极触发电压—结温特性系数，查数据手册可得，取特性曲线中最低工作温度时的系数，如图2-10为SM2LZ47型号双向可控硅的特性曲线。若对器件工作环境温度无特殊需要，通常β取1~1.2倍即可。 16 图2-10门极压降-结温关系 (3)触发电阻——Rg=(Vcc-Vgt)/Igt (4)触发脉冲宽度——为了导通闸流管(或双向可控硅)，除了要门极电流?IGT ，还要使负载电流达到?IL(擎住电流)，并按可能遇到的最低温度考虑。因此，可取25度下可靠触发可控硅的脉冲宽度Tgw的2倍以上。 (5)在电子噪声充斥的环境中，若干扰电压超过触发电压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TI 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T1 之间串入1kΩ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。 9)结温Tj的控制:为了长期可靠工作，应保证Rth j-a 足够低，维持Tj 不高于80%Tjmax , 如图2-11，其值相应于可能的最高环境温度。 17 图2-11结温-电流关系 第三节 双向可控硅的安装 对负载小，或电流持续时间短(小于1 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，为了减小热阻， 可控硅与散热器间要涂上导热硅脂。 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。 1(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(SOT82 和SOT78 ) 和绝缘封装( SOT186 F-pack 和更新的SOT186A -pack)。注意:SOT78 就是TO220AB。 X 2(螺栓固定 1) SOT78 组件带有M3 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。 2) 安装过程中，螺丝刀决不能对器件塑料体施加任何力量。 3) 和接头片接触的散热器表面应处理，保证平坦，10mm上允许偏差0.02mm。 18 4) 安装力矩(带垫圈)应在0.55Nm 和0.8Nm 之间。 5) 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3 点)。安装力矩无法控制，也是这种安装方法的缺点。 6) 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。 3(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: 1) 散热器必须为器件提供一个平整、光洁的表面。 2) 散热器安装孔的直径不要比器件接头片安装孔的直径大。 3) 铆钉应和接头片孔有间隙，而和散热器安装孔无间隙。 4) 器件接口片一侧应是铆钉头，而不是心轴。 5) 铆钉和接口应成90 度(铆钉头在整个园周上和接口片相接触)。 6) 铆接后，铆钉头不接触器件的塑料体。 7)先把器件固定，散热器装上印刷线路板，然接引线。这可把引线的应力降到最小。 19 参考文献 1(《电力电子变流技术》 黄俊、王兆安 编 北京:机械工业出版社 2(《硅可控开关元件与三端双向可控硅开关元件》 瑞萨科技公司 3.《闸流管和双向可控硅 - 成功应用的十条黄金规则》 Nick Ham 编 20