雙向可控硅

雙向可控硅的寫法

雙向可控硅介紹

雙向可控硅是在普通可控硅的基礎上發展而成的，它不僅能代替兩只反極性并聯的可控硅，而且僅需一個觸發電路，是比較理想的交流開關器件。其英文名稱TRIAC即三端雙向交流開關之意。

參數符號

IT(AV)--通態平均電流

VRRM--反向反復峰值電壓

IDRM--斷態重復峰值電流

ITSM--通態一個周波不反復浪涌電流

VTM--通態峰值電壓

IGT--門極觸發電流

VGT--門極觸發電壓

IH--維持電流

dv/dt--斷態電壓臨界上升率

di/dt--通態電流臨界上升率

Rthjc--結殼熱阻

VISO--模塊絕緣電壓

Tjm--額定結溫

VDRM--通態反復峰值電壓

IRRM--反向重復峰值電流

IF(AV)--正向平均電流

好壞判斷

可控硅的檢測

1.單向可控硅的檢測

萬用表選用電阻R×1檔，用紅黑兩表筆分別測任意兩引腳間正反向電阻直至找出讀數為數十歐姆的一對引腳，此時黑筆接的引腳為控制極G，紅筆接的引腳為陰極K，另一空腳為陽極A。此時將黑表筆接已判斷了的陽極A，紅表筆仍接陰極K。此時萬用表指針應不動。用短接線瞬間短接陽極A和控制極G，此時萬用表指針應向右偏轉，阻值讀數為10歐姆左右。如陽極A接黑表筆，陰極K接紅表筆時，萬用表指針發生偏轉，說明該單向可控硅已擊穿損壞。

2.雙向可控硅的檢測

用萬用表電阻R×1檔，用紅黑兩表筆分別測任意兩引腳正反向電阻，結果其中兩組讀數為無窮大。若一組為數十歐姆時，該組紅黑表筆所接的兩引腳為陽極A1和控制極G，另一空腳即為第二陽極A2。確定A、G極后，再仔細測量A1、G極間正反向電阻，讀數相對較小的那次測量的黑表筆所接的引腳為陽極A1，紅表筆所接引腳為控制極G。將黑表筆接已確定了的第二陽極A2，紅表筆接陽極A1，此時萬用表指針應不發生偏轉，阻值為無窮大。再用短接線將A2、G極瞬間短接，給G極加上正向觸發電壓，A2、A1間阻值約為10歐姆左右。隨后斷開A2、G極短接線，萬用表讀數應保持10歐姆左右?；Q紅黑表筆接線，紅表筆接第二陽極A2，黑表筆接陽極A1。同樣萬用表指針應不發生偏轉，阻值為無窮大。用短接線將A2、G極間再次瞬間短接，給G極加上負向的觸發電壓，A1、A2間阻值也是10歐姆左右。隨后斷開A2、G極間短接線，萬用表讀數應不變，保持10歐姆左右。符合以上規律，說明被測雙向可控硅管未損壞且三個引腳極性判斷正確。

檢測較大功率可控硅管是地，需要在萬用表黑筆中串接一節1.5V干電池，以提高觸發電壓。

設計應用

引言

1958年，從美國通用電氣公司研制成功個工業用可控硅開始，電能的變換和控制從旋轉的變流機組、靜止的離子變流器進入以電力半導體器件組成的變流器時代?？煽毓璺謫蜗蚩煽毓枧c雙向可控硅。單向可控硅一般用于彩電的過流、過壓保護電路。雙向可控硅一般用于交流調節電路，如調光臺燈及全自動洗衣機中的交流電源控制。

雙向可控硅是在普通可控硅的基礎上發展而成的，它不僅能代替兩只反極性并聯的可控硅，而且僅需一個觸發電路，是目前比較理想的交流開關器件，一直為家電行業中主要的功率控制器件。近幾年，隨著半導體技術的發展，大功率雙向可控硅不斷涌現，并廣泛應用在變流、變頻領域，可控硅應用技術日益成熟。本文主要探討廣泛應用于家電行業的雙向可控硅的設計及應用。

雙向可控硅特點

雙向可控硅可被認為是一對反并聯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構及其等效電路，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導通，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、負觸發脈沖都能使管子觸發導通，因此有四種觸發方式。

圖1雙向可控硅結構及等效電路

雙向可控硅應用

為正常使用雙向可控硅，需定量掌握其主要參數，對雙向可控硅進行適當選用并采取相應措施以達到各參數的要求。

耐壓級別的選擇：通常把VDRM（斷態重復峰值電壓）和VRRM（反向重復峰值電壓）中較小的值標作該器件的額定電壓。選用時，額定電壓應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，可控硅承受斷態重復峰值電壓VDRM和反向重復峰值電壓VRRM時的峰值電流應小于器件規定的IDRM和IRRM。

通態（峰值）電壓VTM的選擇：它是可控硅通以規定倍數額定電流時的瞬態峰值壓降。為減少可控硅的熱損耗，應盡可能選擇VTM小的可控硅。

維持電流：IH是維持可控硅維持通態所必需的最小主電流，它與結溫有關，結溫越高，則IH越小。

電壓上升率的抵制：dv/dt指的是在關斷狀態下電壓的上升斜率，這是防止誤觸發的一個關鍵參數。此值超限將可能導致可控硅出現誤導通的現象。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等效電流，這個電流就會成為Ig，也就是出現了觸發電流，導致誤觸發。

圖2雙向可控硅等效示意圖

切換電壓上升率dVCOM/dt。驅動高電抗性的負載時，負載電壓和電流的波形間通常發生實質性的相位移動。當負載電流過零時雙向可控硅發生切換，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導通狀態，因為載流子沒有充分的時間自結上撤出，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—切換時負載電流下降率。dICOM/dt高，則dVCOM/dt承受能力下降。

結面溫度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，為避免發生假觸發，可在T1和T2間裝置RC緩沖電路，以此限制電壓上升率。通常選用47~100Ω的能承受浪涌電流的碳膜電阻，0.01μF~0.47μF的電容，晶閘管關斷過程中主電流過零反向后迅速由反向峰值恢復至零電流，此過程可在元件兩端產生達正常工作峰值電壓5-6倍的尖峰電壓。一般建議在盡可能靠近元件本身的地方接上阻容吸收回路。

斷開狀態下電壓變化率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，電容性內部電流能產生足夠大的門極電流，并觸發器件導通。門極靈敏度隨溫度而升高。假如發生這樣的問題，T1和T2間（或陽極和陰極間）應該加上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在以下兩個方面：

①dIT/dt（導通時的電流上升率）—當雙向可控硅或閘流管在門極電流觸發下導通，門極臨近處立即導通，然后迅速擴展至整個有效面積。這遲后的時間有一個極限，即負載電流上升率的許可值。過高的dIT/dt可能導致局部燒毀，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在嚴重的、異常的電源瞬間過程中有可能被超出或導通時的dIT/dt有可能被超出，可在負載上串聯一個幾μH的不飽和（空心）電感。

②dICOM/dt(切換電流變化率)—導致高dICOM/dt值的因素是:高負載電流、高電網頻率（假設正弦波電流）或者非正弦波負載電流,它們引起的切換電流變化率超出的允許值，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的電感和負載串聯，可以限制dICOM/dt。

·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，它和傳統的雙向可控硅的內部結構有差別。差別之一是內部的二個“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，而不需要在負載上串聯電感，以限制dICOM/dt。

③高dvD/dt（斷開狀態下電壓變化率）。雙向可控硅在高溫下更為靈敏。高溫下，處于截止狀態時，容易因高dV/dt下的假觸發而導通。Hi-Com雙向可控硅減少了這種傾向。從而可以用在高溫電器，控制電阻性負載，例如廚房和取暖電器，而傳統的雙向可控硅則不能用。

門極參數的選用：

門極觸發電流—為了使可控硅可靠觸發，觸發電流Igt選擇25度時max值的α倍，α為門極觸發電流—結溫特性系數，查數據手冊可得，取特性曲線中工作溫度時的系數。若對器件工作環境溫度無特殊需要，通常α取大于1.5倍即可。

門極壓降—可以選擇Vgt25度時max值的β倍。β為門極觸發電壓—結溫特性系數，查數據手冊可得，取特性曲線中工作溫度時的系數。若對器件工作環境溫度無特殊需要，通常β取1~1.2倍即可。

觸發電阻—Rg=（Vcc-Vgt）/Igt

觸發脈沖寬度—為了導通閘流管（或雙向可控硅），除了要門極電流≧IGT，還要使負載電流達到≧IL（擎住電流），并按可能遇到的溫度考慮。因此，可取25度下可靠觸發可控硅的脈沖寬度Tgw的2倍以上。

在電子噪聲充斥的環境中，若干擾電壓超過觸發電壓VGT，并有足夠的門極電流，就會發生假觸發，導致雙向可控硅切換。條防線是降低臨近空間的雜波。門極接線越短越好，并確保門極驅動電路的共用返回線直接連接到TI管腳（對閘流管是陰極）。若門極接線是硬線，可采用螺旋雙線，或干脆用屏蔽線，這些必要的措施都是為了降低雜波的吸收。為增加對電子噪聲的抵抗力，可在門極和T1之間串入1kΩ或更小的電阻，以此降低門極的靈敏度。假如已采用高頻旁路電容，建議在該電容和門極間加入電阻，以降低通過門極的電容電流的峰值，減少雙向可控硅門極區域為過電流燒毀的可能。

結溫Tj的控制：為了長期可靠工作，應保證Rthj-a足夠低，維持Tj不高于80[%]Tjmax,其值相應于可能的環境溫度。

雙向可控硅的安裝

對負載小，或電流持續時間短（小于1秒鐘）的雙向可控硅，可在自由空間工作。但大部分情況下，需要安裝在散熱器或散熱的支架上，為了減小熱阻，可控硅與散熱器間要涂上導熱硅脂。

雙向可控硅固定到散熱器的主要方法有三種，夾子壓接、螺栓固定和鉚接。前二種方法的安裝工具很容易取得。很多場合下，鉚接不是一種推薦的方法，本文不做介紹。

夾子壓接

這是推薦的方法，熱阻最小。夾子對器件的塑封施加壓力。這同樣適用于非絕緣封裝（SOT82和SOT78）和絕緣封裝（SOT186F-pack和更新的SOT186AX-pack）。注意，SOT78就是TO220AB。

螺栓固定

SOT78組件帶有M3成套安裝零件，包括矩形墊圈，墊圈放在螺栓頭和接頭片之間。應該不對器件的塑料體施加任何力量。

安裝過程中，螺絲刀決不能對器件塑料體施加任何力量。

和接頭片接觸的散熱器表面應處理，保證平坦，10mm上允許偏差0.02mm。

安裝力矩（帶墊圈）應在0.55Nm和0.8Nm之間。

應避免使用自攻絲螺釘，因為擠壓可能導致安裝孔周圍的隆起，影響器件和散熱器之間的熱接觸。安裝力矩無法控制，也是這種安裝方法的缺點。

器件應首先機械固定，然后焊接引線。這可減少引線的不適當應力。

結語

在可控硅設計中，選用合適的參數以及與之相對應的軟硬件設計，用可控硅構成的變流裝置具有節約能源、成本低廉等特點，目前在工業中得到飛速的發展。

內部電路

0引言

雙向可控硅（TRIAC）在控制交流電源控制領域的運用非常廣泛，如我們的日光燈調光電路、交流電機轉速控制電路等都主要是利用雙向可控硅可以雙向觸發導通的特點來控制交流供電電源的導通相位角，從而達到控制供電電流的大小[1]。然而對其工作原理和結構的描述，以我們可以查悉的資料都只是很淺顯地提及，大部分都是對它的外圍電路的應用和工作方式、參數的選擇等等做了比較多的描述，更進一步的--哪怕是內部方框電路--內容也很難找到。

由于可控硅所有的電子部件是集成在同一硅源之上，我們根本是不可能通過采用類似機械的拆卸手段來觀察其內部結構。為了深入了解和運用可控硅，依據現有可查資料所給P型和N型半導體的分布圖，采用分離元器件--三極管、電阻和電容--來設計一款電路，使該電路在PN的連接、分布和履行的功能上完全與雙向可控硅類似，從而通過該電路來達到深入解析可控硅和設計實際運用電路的目的。

1雙向可控硅工作原理與特點

從理論上來講，雙向可控硅可以說是有兩個反向并列的單向可控硅組成，理解單向可控硅的工作原理是理解雙向可控硅工作原理的基礎[2-5]。

1.1單向可控硅

單向可控硅也叫晶閘管，其組成結構圖如圖1-a所示，可以分割成四個硅區P、N、P、N和A、K、G三個接線極。把圖一按圖1-b所示切成兩半，就很容易理解成如圖1-c所示由一個PNP三極管和一個NPN三極管為主組成一個單向可控硅管。

在圖1-c的基礎上接通電源控制電路如圖2所示，當陽極-陰極（A-K）接上正向電壓V后，只要柵極G接通觸發電源Vg，三極管Q2就會正向導通，開通瞬間Q1只是類似于接在Q1集電極的一個負載與電源正極接通，隨后Q1也在Q2的拉電流下導通，此時由于C被充電，即便斷開G極的觸發電源Vg，Q1和Q2在相互作用下仍能維持導通狀態，只有當電源電壓V變得相當小之后Q1和Q2才會再次截止。

1.2雙向可控硅

相比于單向可控硅，雙向可控硅在原理上的區別就是能雙向導通，不再有陽極陰極之分，取而代之以T1和T2，其結構示意圖如圖3-a所示，如果不考慮G級的不同，把它分割成圖3-b所示，可以看出相當于兩個單向可控硅反向并聯而成[1-2]，如圖3-c所示連接。

當T1與T2之間接通電源后，給G極正向觸發信號（相對于T1、T2所接電源負極而言），其工作原理如前面單向可控硅完全相同。當G極接負觸發信號時，其工作過原理如圖4所示，此時Q3的基極B和發射極E處于正偏電壓而致使Q3導通，繼而Q1導通給電容C充電后致Q2導通并保持導通狀態。

1.3雙向可控硅的主要特點

雙向可控硅的英文簡稱TRIC是英文TriadACsemiconductorswitch的縮寫，其意思是三端交流半導體開關，目前主要用于對交流電源的控制，主要特點表現在能在四個象限來使可控硅觸發導通和保持導通，直到所接電源撤出或反向[6][7]。象限是T2接電源V的正極T1接電源V的負極，G觸發信號Vg的正。

第二象限是T2接電源V的正極T1接電源V的負極，G觸發信號Vg的負。

第三、四象限是T1接電源V的正極T2接電源V的負極，G觸發信號分別接Vg的正、負極。

2類雙向可控硅電路設計

在理解了前面所述雙向可控硅的內部結構和工作原理之后，依據其內部結構采用我們熟悉的晶體管來設計一種類似有雙向可控硅工作的雙向可觸發電路。如圖5所示，電路采用用7個三極管和幾個電阻組成。把圖5電路中PN結的結構按圖6所示結構圖描出，與圖3-a、b比較很是相似。在圖5所示電路中，內部電流在外界所接電源的極性不同而有兩種流向，如It12和It21所示，It12流向是從P2流入經N2-P1-N1流出，It21從P1流入經N2-P2-N32流出；G極觸發電流Ig+由P2流入或Ig-從N31流出。下面是所設計電路在四個象限的觸發導通工作過程。

2.1T2接電源Vt21正極，T1接通電源Vt21負

此時當G極接Vg+為正電壓，Q4、Q5、Q6、Q7處于反向截止，Q1的B極和E極之間無正偏壓也處于截止狀態，Vg+由P2輸入后經R3使Q2的B極和E極之間產生正偏電壓而導通，從而促使Q3導通，這時即使撤出Vg+，在電容C1的的作用下，Q2、Q3也仍然能處于導通狀態，只有當Vt21先反向或撤除才重回截止。當G極接Vg為負，Q4、Q5、Q6、Q7同樣處于反向截止狀態，Q1的B極和E極之間因Vg產生正偏電壓而導通，從而使Q3、Q2導通并得以保持導通狀態。

2.2T1接電源Vt12正極，T2接通負電源Vt12的負極

此時G極接Vg為正，Q1因B極和E極之間處于反向偏壓而截止，Q3處于反向截止，Q2因B極和E極之間處于正向偏壓導通而導致Q4、Q7的導通，從而Q6、Q7導通并保持導通狀態，只有當Vt12先反向或撤除才重回截止。當G極接Vg為負，Q1、Q2、Q3和Q4處于反向截止，Q5的B極和E極之間因Vg而處于正偏導通，從而使Q6導通，繼而Q7、Q6導通并得以保持導通狀態。

3電路制作與實驗驗證

為了驗證所設計電路，采用比較常用的NPN三級管S8050和PNP三極管S8550來設計制作實際的測試電路板(PCB)，如圖5所示。圖6中所標識的T2、T1和G與圖5所示的相同，也類似于雙向可控硅的T2、T1和G三個接線極。利用該模塊電路串入負載接通正或負的直流電源和觸發信號來測試，所得結果如圖7所示，在正或負觸發信號接入前電流表上的指示為0，當正或負觸發信號接通并撤離后電流表指示依然保持原來的電流值。該實驗表明該電路在正負電源供電情況下能雙向觸發導通。

該模塊電路在接通交流電源和脈沖控制信號時，其測驗結果如圖8所示。示波器探針1接觸發信號，探針2接模塊電路的兩端T1-T2之間的電壓。在觸發信號為0是，T1-T2之間的電壓等于電源電壓值，表明該電路沒有導通，當觸發信號脈沖到來時，T1-T2兩端的電壓值為0，表明模塊電路已經導通。

4結束語

在詳細解讀了雙向可控硅的內部結構和工作原理的基礎之上，設計了一款以7個三極管為主要元器件和電阻電容可以被雙向觸發的控制電路。利用常用的對管S8050和S8550制作出實驗電路驗證了該電路的正確性。在今后具體運用過程中可以通過對此電路的相關器件做適當調整來滿足具體的需求和設計要求。同時，利用所設計的電路形象具體地解釋了雙向可控硅的工作原理與過程。