三端雙向可控硅(triacs)是用于交流應(yīng)用的開(kāi)關(guān)，堅(jiān)固耐用并且易于操作，因此從咖啡機(jī)到冰箱均可見(jiàn)其蹤影。高換向三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)也稱(chēng)為Alternistor，具有改良后的換向特性，甚至能夠經(jīng)濟(jì)高效地靜音開(kāi)關(guān)感性負(fù)載，并且使用壽命長(zhǎng)。

交流電三極管即是三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)，是晶閘管系列的一部分，可以通過(guò)正電壓和負(fù)電壓操作，一旦觸發(fā)便會(huì)保持導(dǎo)通狀態(tài)，除非接收到進(jìn)一步的觸發(fā)信號(hào)，否則直到負(fù)載電流低于保持電流才會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)使用交流電壓運(yùn)行時(shí)，這種情況最遲發(fā)生在電流過(guò)零點(diǎn)。

如圖 1 所示，其結(jié)構(gòu)可以看作為兩個(gè)電氣隔離的反并聯(lián)晶閘管，它們共享一個(gè)柵電極，兩個(gè)晶閘管的電源區(qū)域的控制面重疊。有兩種控制三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)的方法。

圖 1：具有主端子 MT1_= _node 1、MT2_=_Anode_2 和柵極的三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)電路符號(hào)，MT2 通常直接連接到封裝。

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第一種是突發(fā)控制 (Burst control)，允許開(kāi)關(guān)在一定數(shù)量的半周期導(dǎo)通，然后在幾個(gè)半周期保持關(guān)斷。這導(dǎo)致負(fù)載上的平均功率取決于導(dǎo)通和關(guān)斷半波的比率，在圖 2，這一比例為2:1。

圖 2：突發(fā)控制示意圖

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電網(wǎng)規(guī)定的周期長(zhǎng)度只允許設(shè)置整數(shù)比，這限制了輸出變量的量化。為了獲得有用的時(shí)間平均值，導(dǎo)通和關(guān)斷周期必須在幾個(gè)半波的范圍內(nèi)。

突發(fā)控制用于控制交流電壓消耗器的功率，典型應(yīng)用包括流量加熱器和電加熱器。由于開(kāi)關(guān)僅僅發(fā)生在電流過(guò)零處，因此在很大程度上避免了奇次諧波。

第二種是相角控制，可在每個(gè)半周期開(kāi)始后的設(shè)定時(shí)間觸發(fā)三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)。圖3的示意圖顯示其功能原理。

圖 3：相角控制原理

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通過(guò)改變觸發(fā)三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)的時(shí)間(也稱(chēng)為觸發(fā)角)，能夠控制周期性平均值。通過(guò)自由選擇觸發(fā)角，允許在0 到100%范圍內(nèi)對(duì)平均值進(jìn)行模擬調(diào)整。圖 4 的例子是用于調(diào)光器的簡(jiǎn)便觸發(fā)操作。

圖 4：簡(jiǎn)單三端雙向可控硅電路用于相位控制

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靜音耐用：雙向可控硅開(kāi)關(guān)對(duì)比繼電器

與機(jī)電繼電器不同，雙向可控硅是固態(tài)繼電器，并且具有一定優(yōu)勢(shì)：它們靜默地運(yùn)作，并且沒(méi)有機(jī)械磨損，因此使用壽命相比繼電器長(zhǎng)得多。三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)不會(huì)出現(xiàn)顫振或電弧和火花，因此可以用于禁用發(fā)出火花繼電器的潛在爆炸環(huán)境。三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)也可用于負(fù)載的相位控制，從而為小型和大型家用電器的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊空間。三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)適合用于從咖啡機(jī)到冰箱的各種設(shè)備，用以控制溫度、光照強(qiáng)度和電機(jī)速度等參數(shù)。

相移產(chǎn)生影響

當(dāng)陽(yáng)極和陰極之間的主電流低于保持電流時(shí)，晶閘管和三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)則關(guān)斷。通過(guò)在關(guān)斷后重新組合電荷，這種開(kāi)關(guān)操作會(huì)產(chǎn)生所謂的返回電流。如果在柵極的相鄰區(qū)域中存在剩余的過(guò)量電荷，并且在過(guò)零后電壓再次升高，則可能會(huì)觸發(fā)三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)中的第二個(gè)晶閘管。

在高達(dá) 400 Hz 左右的電網(wǎng)頻率和正弦波形下，由于電流和電壓是同相的，因此純歐姆負(fù)載的換向操作不存在問(wèn)題。正如預(yù)期，換向發(fā)生在電流的過(guò)零處，這與由于相移引起的電壓過(guò)零同時(shí)發(fā)生。圖 5 顯示了由此產(chǎn)生的電流和電壓變化。

圖 5：純歐姆負(fù)載換向

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如果三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)用于控制電流和電壓之間發(fā)生相移的感性負(fù)載，則會(huì)出現(xiàn)圖 6 所示的情況。

圖 6：感性負(fù)載換向

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在電流過(guò)零期間，三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)的主端子上會(huì)出現(xiàn)電壓。由此產(chǎn)生的電壓dv/dt 快速變化可能會(huì)錯(cuò)誤地觸發(fā)敏感的三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)。因此，需要非常仔細(xì)地設(shè)計(jì)可控硅開(kāi)關(guān)的控制電路。

選擇合適的三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)的一個(gè)重要參數(shù)是允許電壓上升率 dVcom/dt。如果超過(guò)此數(shù)值，則組件不會(huì)關(guān)斷;為了保證關(guān)斷，必須限制換向間隔期間的電流下降率 dIcom/dt和關(guān)斷操作后的電壓上升率 dVcom/dt。三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)的數(shù)據(jù)表包含最大允許換向電壓上升率數(shù)據(jù)，具體取決于三端雙向可控硅未觸發(fā)時(shí)的陽(yáng)極電流下降率以及組件溫度。

緩沖網(wǎng)絡(luò)可防止不必要的觸發(fā)

如果三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)必須在預(yù)期可能出現(xiàn)錯(cuò)誤開(kāi)關(guān)的感性負(fù)載電路中運(yùn)行，則通常將放電或 RC 緩沖網(wǎng)絡(luò)與三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)進(jìn)行并聯(lián)(如圖 7)。緩沖器確保三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)不會(huì)負(fù)載過(guò)重或因電壓突然升高而過(guò)早觸發(fā)，例如由電網(wǎng)電源中的電壓峰值引起的情況。此外，可以通過(guò)串聯(lián)電感器來(lái)限制電流上升率 dI/dt，這意味著盡管電壓的變化很大，但仍然不會(huì)觸發(fā)三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)。

圖 7：具有 RC 緩沖網(wǎng)絡(luò)的雙向可控硅

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在選擇合適的緩沖網(wǎng)絡(luò)時(shí)，必須仔細(xì)選擇各個(gè)組件。這里的關(guān)鍵因素是負(fù)載電感、交流電源的頻率和負(fù)載的有效電流。緩沖電阻必須足夠高，以防止電壓過(guò)沖，并將使用三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)的電容器的峰值放電電流限制在所允許 dI/dt 范圍內(nèi)。緩沖電容器必須針對(duì)電源系統(tǒng)的全交流電壓進(jìn)行設(shè)計(jì)。

然而，與三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)并聯(lián)的緩沖器網(wǎng)絡(luò)增加了電路的復(fù)雜性，并且導(dǎo)致緩沖器中出現(xiàn)額外的功率損耗。

更好的簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)方法是使用Alternistor。與標(biāo)準(zhǔn)三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)不同，這些高換向三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)更好地分隔了兩個(gè)“晶閘管半波”，從而具有更好的換向穩(wěn)健性。更高的允許dVcom/dt還可以在沒(méi)有緩沖器的情況下控制感性負(fù)載，這項(xiàng)特性可改善具有更高頻率或非正弦形狀的電流換向運(yùn)作，而無(wú)需使用額外的電感器來(lái)限制 dI/dt。

這表明：使用交流電阻器減少了組件數(shù)量并在電路板空間和系統(tǒng)成本方面節(jié)省了大量成本，使得開(kāi)發(fā)人員可以創(chuàng)建更簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。

高感性負(fù)載的選項(xiàng)

Littelfuse提供的Alternistor具有至少是其標(biāo)稱(chēng)電流十倍的高浪涌電流承受能力。這項(xiàng)性能在具有感性負(fù)載的電路中很重要，因?yàn)殡姼衅鞯睦擞侩娏魇菢?biāo)稱(chēng)電流的數(shù)倍。浪涌電流限制 ITSM 是 10ms或 8.3ms持續(xù)時(shí)間(50 或 60 Hz)的正弦半波形式的通態(tài)電流浪涌峰值，在發(fā)生短路時(shí)三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)可以承受這個(gè)電流而不會(huì)損壞。當(dāng)三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)加載有浪涌電流限制時(shí)，阻隔層溫度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)升高。

Littelfuse提供采用不同機(jī)械和耐熱封裝的Alternistor產(chǎn)品，包括絕緣和非絕緣型款。分立封裝允許使用彈簧夾進(jìn)行安裝，以減少安裝工作量，所使用的夾式鍵合技術(shù)廣泛用于制造高性能半導(dǎo)體模塊和組件，保證了出色的可靠性。夾式鍵合技術(shù)采用的實(shí)心銅橋提供更好耐熱性和超快開(kāi)關(guān)能力，代替了芯片和引線(xiàn)之間通常使用的焊線(xiàn)連接。

銅夾的接觸面比焊線(xiàn)大得多，熱量可以更有效地從芯片頂部散發(fā)到引線(xiàn)框架，從而改善了散熱性能。這樣降低了運(yùn)行期間的最高阻隔層溫度，從而延長(zhǎng)了三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)的使用壽命并提高了可靠性。所有三端雙向可控硅芯片都具有玻璃鈍化的阻隔層，從而保證了長(zhǎng)期的可靠性和組件參數(shù)的穩(wěn)定性。

冷卻葉片采用內(nèi)部電隔離，隔離電壓高達(dá) 2500 V RMS，所有組件均通過(guò) UL 認(rèn)證(參考文件 E81734)。這樣無(wú)需使用和安裝單獨(dú)的絕緣體，與采用帶電冷卻葉片的設(shè)計(jì)相比，可以節(jié)省成本。與傳統(tǒng)的環(huán)氧樹(shù)脂絕緣相比，使用陶瓷絕緣帶來(lái)更好的散熱性能和更長(zhǎng)的使用壽命。

在Alternistor產(chǎn)品領(lǐng)域中，有四大系列特別值得業(yè)界關(guān)注，它們僅在象限 I、II 和 III 中運(yùn)行(如圖 8)。由于典型應(yīng)用通常連接到交流電路，因此三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)在 I 和 III 象限中工作，可以包容第四觸發(fā)象限的損耗。

圖 8：Alternistor三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)的觸發(fā)象限

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Qxx10Hx：10 A型款提供采用 TO-220AB 封裝和 TO-263 SMD封裝 (D2Pak) 的絕緣產(chǎn)品和非絕緣產(chǎn)品。ITSM 為120 A (60Hz)。25 A型款 (Qxx25xHx)則提供以下封裝選項(xiàng)：TO-220 絕緣和非絕緣;堅(jiān)固絕緣的 TO-218 和 TO218X 封裝(帶焊片);TO-263 SMD 封裝 (D2Pak)。ITSM 為 250 A (60Hz)。

QJ 系列高溫Alternistor產(chǎn)品尤其是亮點(diǎn)：QJxx16xHx是一款 16 A 功率雙向可控硅，采用 TO-220AB 和絕緣 TO-220 及TO-263 封裝，最高阻隔層溫度為302° F (150°C) ，ITSM 為200 A (60Hz)。25 A型款(QJxx25xHx)采用相同的封裝，使用堅(jiān)固絕緣的 TO-218 和 TO218X 封裝(帶有焊片)。這款三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)的最高阻隔層溫度為 302°F(150°C)，ITSM 為 250 A (60 Hz)。

QJ系列產(chǎn)品能夠簡(jiǎn)化熱管理，并具有高浪涌電流耐受能力，允許在加熱和電機(jī)控制應(yīng)用中出現(xiàn)高浪涌電流，有助于解決交流電源控制應(yīng)用中的過(guò)熱問(wèn)題。

總結(jié)

三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)非常適合交流電壓開(kāi)關(guān)和相位角控制應(yīng)用，例如加熱、照明和電機(jī)速度控制。這種開(kāi)關(guān)可用于電流從電源插座流出的任何位置，包括在咖啡機(jī)、流量加熱器、紅外線(xiàn)加熱器、廚房電器、電動(dòng)工具、加熱控制、交流半導(dǎo)體繼電器、調(diào)光器和電機(jī)速度控制系統(tǒng)中。

本文作者：儒卓力標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品經(jīng)理 Thomas Bolz 和 Littelfuse 技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)部 Tawade Prasad

審核編輯：湯梓紅