如何用好可控硅？

Grant

前言：

    很多人都应该使用过可控硅吧，但有多少人知道在可控硅的应用电路设计中，需要注意什么问题？哪些参数又是需要考虑的？会用一个可控硅很容易，书上抄个电路图下来，就可以，但想用好可控硅可不是那么简单的事情。因之前我说过对于马达驱动写些资料的，这个就全当是我的第一步吧，我知道很多简单的马达控制中会用到可控硅来实现调速。



    我计划以ST的一款可控硅数据手册为例，介绍可控硅应用电路设计中哪些参数是需要注意，同时也介绍一款ST的新器件AC Switch。我对它的理解是可使用MCU的IO直接驱动，带有过压保护的可控硅。最后呢，再以ST的一份ST6单片机控制马达的应用笔记为结尾，介绍如何使用MCU来控制Triac。我买的美的的豆浆机用的就是ST的ST6 MCU和ST的可控硅。首先申明我使用可控硅的时间不是很长，如果下述内容有错误，欢迎大家丢鸡蛋，呵呵，记住要是转载需要注明来源哦，要不我可会投诉的。本文档的资料来源于06年初ST在法国的一次培训讲义，加入了一些自己的理解。



    在写本文之前，我想要做到人有我无，人无我有的“境界”，决定用Google搜索一下，看看有没有类似的文章，呵呵，发现可以找到的都是一些可控硅的原理，这些我就不打算提了，仅解释工作原理。目前没有在网上找到一份有对可控硅电路设计，哪些参数该如何使用的文章。看来这篇帖子的回头率又可以蛮高的了，我要先偷着乐了。



    刚才看了一下本本里的可控硅资料，一瞄就看到了BTA06,呵呵，就拿它了。AC Switch吗，就用ACS108-6S吧，本文将会实际的对照原始的Datasheet来解释一些参数，Philips的不要问我，自己找吧。



    下面的内容是本文会涉及到的一些资料的下载地址：

    1、ST晶闸管(Thyristors)产品的首页：

    http://www.stmicroelectronics.com.cn/stonline/products/families/thyristors_acswitch/thyristors.asp

    2、BTA06-600BRG

    http://www.st.com/stonline/products/literature/ds/2936/bta06.pdf

    3、ACS108-6S

    http://www.st.com/stonline/products/literature/ds/11962.pdf

   

    发现本文的标题太难写了。





正文：

    废话讲完了，开始正文吧！



一、概述

    在日常的控制应用中我们都通常会遇到需要开关交流电的应用，一般控制交流电的时候，我们会使用很多种方法，如：



1、使用继电器来控制，如电饭煲，洗衣机的水阀：

         



2、使用大功率的三极管或IGBT来控制：

         



3、使用整流桥加三极管：

         



4、使用两个SCR来控制：

         



5、使用一个Triac来控制：

         



   

    晶闸管(Thyristor)又叫可控硅，按照其工作特性又可分单向可控硅(SCR)、双向可控硅(TRIAC)。其中双向可控硅又分四象限双向可控硅和三象限双向可控硅。同时可控硅又有绝缘与非绝缘两大类，如ST的可控硅用BT名称后的“A”、与“B”来区分绝缘与非绝缘。  



    单向可控硅SCR：全称Semiconductor Controlled Rectifier(半导体整流控制器)





    双向可控硅TRIAC：全称Triode ACSemiconductor Switch(三端双向可控硅开关)，也有厂商使用Bi-directional Controlled Rectifier(BCR)来表示双向可控硅。





    请注意上述两图中的红紫箭头方向！



    可控硅的结构原理我就不提了。





二、可控硅的控制模式

    现在我们来看一看通常的可控硅控制模式

1、On/Off 控制：

         

    对于这样的一个电路，当通过控制信号来开关Triac时，我们可以看到如下的电流波形

         

    通常对于一个典型的阻性的负载使用该控制方法时，可以看到控制信号、电流、相电压的关联。

         





2、相角控制：

   也叫导通角控制，其目的是通过触发可控硅的导通时间来实现对电流的控制，在简单的马达与调光系统中多可以看到这种控制方法

         

   在典型的阻性负载中，通过控制触发导通角a在0～180之间变化，从而实现控制电流的大小

         







三、

    我们知道，可控硅的一个导通周期可以有四步：








-----此内容被Grant于2006-07-04,22:15:29编辑过

Grant

外地出差，客户技术支持中。都是变频惹的祸，可控硅的笔记争取这个周末全部写完。看了一下，现在才写了10%不到，有压力啊。呵呵，在外两天了，压了一堆的邮件都还没来得会，周末该可以家休息了。
-----此内容被Grant于2006-07-06,18:48:20编辑过

Grant

你可以看看BTA06－600BW的数据手册，它的触发电流是50mA,这个是Max值。实际上I、II、III象限的触发电流都是不一样的，但datasheet给出来的都是满足能够完全触发的最小值。请注意这个最大值不是说你的触发电流只要不小于50mA都是可以的，当然这个值也与你的应用环境有关系，请看下面的曲线图：

Grant

回楼上的楼上的：

1、触发电流小了，只是导通效果差些，不会有什么问题。只是这样你设定需要导通的时间可能达不到。这和三极管不一样，基极电流可以决定三极管是工作在什么状态。而可控硅触发电流只会影响导通的时间。还有就是如果要做到最好的导通效果，按照ST的PPT建议，你可以选择Ig的Max再乘以1.5倍，就是我给出的图的介绍。我今天问过ST的如果小的值有些大会有什么影响，他们说没有什么问题，假如你的触发电流达不到数据手册上规定的IgMax时，只要你确认你的触发电流可以使得可控硅可以达到导通就可以。





2、如果你将T1和T2颠倒，其实就是将1和4象限，2和3象限调换就可以，在你驱动的时候，比如你要1、2、4象限触发，就改成1、3、4就可以，自己将这个顺序颠倒一下就可以。





3、TW中的触发电流为5毫安，那么假设我使用了50毫安的触发电流

这个就不知道了，你的假设差了10倍，呵呵，一般大个2～4倍都没有什么问题。



之前对于你提到的问题2，我没有干过，从Datasheet上看，理论上没有问题，我自己也拿不准，因此我等到今天上班问了一下原厂的。谁叫我用的时间也不长呢，好再有问题可以找到问的人。。



本想昨天将这里的工作做完，唉，这两天好像状态不好，就没心情写这东西。。。。。
-----此内容被Grant于2006-07-10,22:30:13编辑过

Grant

完成没有做完的作业！请不要顶帖，以便内容连贯！谢谢合作！由于一些参数的叫法，有些参数国内有很多种说法，有些国内的叫法自己也不是搞得很明白，这里我尽可能的使用英文并给出英文的完整解释，以免产生岐意。





    按照顶楼的最后一张图，我们来了解一下对于一个应用如何来选择一个合适的可控硅。





    当我们打开一份可控硅的数据手册，我们可以看到很多数据和图表，那么哪些参数是我们最应该去关心的呢？







    上图是ST BTA06数据手册提供的主要特性参数表（资料下载地址请到顶楼寻找）。通过这张表我们可以知道如下参数：



IT(RMS)    平均电流。  指的是BAT06完全导通的情况下，流经A1A2的电流平均值可以达到6A。请注意在数据手册之后的表3提到，该值实在正弦波触发，温度在105度或110度下测得。



VDRM/VRRM  关断状态正向可重复峰值电压/关断状态反向可重复峰值电压。这个参数指的值可以认为是可控硅的正反向耐压（不知道这样解释对不对）。请注意这个值与VDSM/VRSM的差异。



TGT(Q1)    触发电流，注意后面的Q1指的是工作在第一象限，这个与可控硅的工作原理是有关系的，后面会再说明；



    通过这些资料我们可以大致了解这个可控硅的工作参数，要使用一个可控硅了解这些参数就足以了，但要想用好一个可控硅，这些参数还远远不够。下面我们就一个完整触发的周期来解释如何用好一个可控硅。



    我们知道，一个可控硅在触发前到触发后到触发关断的一个完整触发过程一共需要经历四个状态，分别是：关断、关断到触发、触发、触发到关断。



1、首先在触发前，也就是关断状态，我们需要考虑系列参数：



1)、VDRM/VRRM、VDSM/VRSM

2)、dV/dt

3)、Vgd



    通俗的讲在这个状态下我们需要考虑可控硅的耐压不要被击穿、可控硅不要被误触发。



1)、VDRM/VRRM

    英文全称：Repetitive peak off-state voltage (50-60Hz).

    英文解释：This is the maximum peak voltage allowed across the device. This parameter is specified up to the maximum junction temperature and leakage currents IDRM / IRRM are specified under this value.

    中文名称：关断状态正向可重复峰值电压/关断状态反向可重复峰值电压。



    VDSM/VRSM

    英文全称：Non-repetitive peak off-state voltage.

    英文解释：This is the maximum peak voltage allowed under pulse conditions across the device. It is specified for pulse duration lower or equal to 10ms.This parameter guarantees the ruggedness of the Triac in case of fast line transients exceeding the specified VDRM / VRRM value.











    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VDSM会比VDRM大100V左右，但是前提条件是这多出100V的电压加在A1A2两端的时间不能超过10mS，超过的结果当然是over！并且是不可逆的过程！阴影部分是绝对禁止越过的！

   

    有人会问，假设超过了这个电压的极限会出现什么样的后果呢？下图展现的就是可控硅物理晶元在此情况下会出现的结果示意图：





    那么面对不同类型的负载要如何考虑？通常我们可以把驱动简化为下面的示意图：





    选择适合的参数的目的是要做到下面的保护：





    前面的压敏电阻起到电压保护的。通常的VDRM有如下特性：





    选择的时候我们参照下表：



   

    那如何来计算VDR的参数？（此处在NXP的闸流管和双向可控硅应用的十条黄金原则也有提及）

    通常我们选择电压等级275V RMS的压敏电阻用于230V电源，

    VVDR＝Vmain x 1.1 = 230Vrms x 1.1 = 360V(min)   (关断状态，最小)



    按照上图，我们找到转折电压（mains Voltage）在360V的曲线（红线）。考虑IEC61000－4－5的标准，2KV的浪涌传入，Vin＝Vmains ＋2kV ＝ 2360V。



    选择好耐压我们还要选择压敏电阻的电流极限。由于存在不同的负载特性，如阻性、感性等，负载的电流曲线并非是线性的，下面的两张图，大家能看出来选择S14K275适合呢还是S05K275适合？  提醒一下S后面的数字05和14代表的是压敏电阻的直径。













2)、dV/dt

    英文全称：Critical rate of rise of off-state voltage.

    英文解释：This is the maximum value of the slope of the rising voltage that can be applied across a SCR or a Triac in the off-state without risking it turning on spuriously.



    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。也许有人会问为什么？由于可控硅的制造工艺决定了A2与G之间会存在寄生电容。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。需要注意的是dV/dt导致的结果是误触发，但不会对器件本身造成损伤！对设备本身就需要看可控硅控制的是什么了。





    细心的人可能会发现在BTA06的数据手册上不是有两个dV/dt吗？为何它们不一样？





    前一个指的是静态下，它的值受温度影响。后一个受Rgk（SCR，单向可控硅，R与K的寄生电阻）影响，由于R与K同时也存在寄生电容Cgk，等效如下图：





    双向可控硅也是同样，G与A1之间是绝对禁止加入电容！因为不利对电压噪声的抑致。





3)、Vgd

    英文全称：Non-triggering gate voltage.

    英文解释：This is the maximum voltage which can be applied to the gate without causing undesired turn-on.This parameter is specified, for the worst case scenario, at the maximum junction temperature.



    为了导通需要的门极电压。





    只要满足VGA1 > Vgd即可！





总结：在这一阶段我们最关心两个问题：1、不要过压；二、误触发。压敏电阻可以保护过压，误触发有没有什么好的办法？有的，就是RC滤波电路。











    一不小心，按了提交，晕死了，还没有写完啊，只剩下30min了，算了，先交这个部分吧。有不对的地发，欢迎大家提出，共同进步吗？





    这里有个地方需要提醒：在支持客户的时候遇到客户的RC电路的元件选择遇到的问题。这里R和C只要普通的炭膜电阻和普通的电容！我的一个客户在选择电容的时候竟使用了Y电容？我晕死了，他告诉我电路在做雷击测试的时候经常会出现误动作，我问他的电阻电容用的是多大，他告诉我电阻只用了几个欧姆，我说你的C很大吗？要不然你的充放电时间会很短的，他说调试的结果是C固定，R越小越好，我搞糊涂了，要这样，那RC不加不是更好？后来才知道，原来他的电容用的是Y电容问他为何会考虑用Y电容，说是抄别人的电路上面也是这样用的。虽然都是电容，但特性其实存在很大差异的，要不大家用的地方都不一样呢？







-----此内容被Grant于2007-05-05,13:53:23编辑过



-----此内容被Grant于2007-05-05,14:03:03编辑过



-----此内容被Grant于2007-05-05,14:11:41编辑过


-----此内容被Grant于2007-05-05,14:17:14编辑过

Grant

2、关断到导通

    从关断状态到导通我们需要考虑下列参数：

1)、Igm

2)、Igt/Vgt

3)、dI/dt





1)、Igm

    英文全称：Peak gate current.

    英文解释：This is the maximum peak current allowed between gate and cathode, defined for 20μs pulse duration.

   

    对于SCR单向结构，我们知道Ig总是为正，即只有流进的电流。





    这是等效电路：





    对于双向可控硅，就有可能存在正负两种电流。





    下图展示了Ig、Vt、It的关系，假定认为箭头方向全部为正方向





    将Vt与It映射到二维坐标上，我们可以知道他们的关系：



    请注意上图中紫色箭头的方向，可以理解为一个完成的正弦波形。



    下图展示了Ig与It的关系，同样我们将这种关系映射到二维坐标内：





    我们可以得到在一个正弦波内可控硅可以被触发四次（理论上，并不是所有的双向可控硅都可以四个象限被触发，后面会介绍），按照Ig的方向，我们发现Q1、Q4象限电流为正，Q2、Q3象限电流为负；



    如果选择Q1、Q4象限驱动。我们注意一些可控硅的数据手册，Q4象限的Ig要更大并且与Q2不相同，同时Q4的dI/dt也要更小。



    如果选择Q1、Q4象限驱动。电流方向是流出可控硅的门极。参数中电气特性都基本一致。



    如果选择Q1、Q3象限驱动呢？







2)、Igt、Vgt

    英文全称：Triggering gate current.

    英文解释：This is the minimum current that must be applied between gate and cathode (or gate and electrode A1 for Triac) to turn-on the device. This parameter defines the sensitivity of the component for existing quadrants.

     中文名称：触发电流



     前面我们已经知道了Igm的意义，那Igt又是什么？Igt指的是导通需要的门极触发电流。知道这个参数的意义有助于我们任何正确选择一个合适的触发电流。





    回到BTA06的数据手册，我们可以看到下表：



    表中列出了三象限驱动方式下，25度下的Igt和Vgt，不同的后缀的Igt是不相同的。那要如何来选择这个参数？

   

    首先解释一下这份表中说指的Igt不是最大允许的触发电流，而是要保证“可靠”触发至少需要提供的电流。Vgt指的是在满足“可靠”触发的电流下，门极的最大电压，该值关系到Rg的选择，Rg在介绍Vgd时的示意图中有出现。



    还是回到BTA06的数据手册，我们可以看到表7：





   通常触发电流Igt选择25度时max值的1.5倍就可以了。





    Vgt

    英文全称：Triggering gate voltage.

    英文解释：This is the minimum voltage that must be applied between gate and cathode (or gate and electrode A1 for Triac) to trigger the device.

    中文名称：触发门极电压



    Vgt的选择有个公式，参考就可以，没什么特别的。









3)、dI/dt

    英文全称：Critical repetitive rate of rise of on-state current.

    英文解释：During the turn-on operation, the maximum rate of rise of current must not exceed this maximum value. If the absolute rating is exceeded, the component may be destroyed.



    这是一个非常重要的参数！它导致的后果不会立刻显现，它会先导致G与A1或A2出现“Punch”，至于A1还是A2是由电流决定，然后Vdrm/Vrrm失效或是A1A2短路。有没有办法抑制？有，就是前面也提到的RC网络。




-----此内容被Grant于2007-05-05,17:45:58编辑过

Grant

本不想回帖的，因为那样会导致这个帖子篇幅拉的太长，影响阅读。ouravr的帖子过了一个小时就无法修改，算是这里的一个小小的遗憾啊。我在21IC上这个限制倒是没有，很方便，特别是这种经验总结的帖子，经常会遇到有要补充的，要知道，大家在看帖回帖，我也在回帖中学习啊。到目前为止，篇幅仅完成了60%，因为目前涉及到功率和散热的计算部分，比较难写，暂时停了下来，我会尽快补上。



1、电容一般使用磁片，103、104就可以，不过由于磁片在耐压方面不是很好，对于马达、等感性负载尽量使用独石电容。为什么不能使用Y电容，JAMESKING说的差不多了，建议可以了解一些安规，了解一下Y电容的左右。其实换句话来说，Y电容很贵的有没什么好处，用可控硅来干活的没有几个是高利润的，这么用有钱赚吗？





2、“光藕会导致可控硅上电导通”

应该是选择的器件参数问题。从off到On，出现误触发是有dV/dt导致的，原因就在这。你没有具体的型号，没法给你分析。你可以重点检查dv/dt的波形。如何逆制前面章节有提及，你可参考。



3、导致击穿的可能是有较多的，这个与过零检测没有任何关系，一般会导致这个错误出现的原因是下列的几个参数：Vdrm、di/dt、 di/dt(c)、Itrm、 I2t。条件好的你可以请你的供应商交给原厂做（FAR）失效分析，他们会给出击穿原因的，知道原因修改电路要方便写。要是没有渠道，可以试试更改压敏电阻、RC吸收网络的R，这里是假定你的电路和我帖子里提到的标准电路是一致的！
-----此内容被Grant于2007-05-15,21:36:58编辑过

Grant

帖子的本意旨在与介绍可控硅，不牵涉在何种场合下应用MOSFET好，还是Triac适合，或是IGBT合用。

我过去的工作在模拟器件方面有两个大类，Triac和IGBT，IGBT也包括IPM Model。IGBT觉得没有什么太多需要解释的，就没怎么说。

Grant

更多的内容在这里：
http://blog.csdn.net/Grant_jx/archive/2008/04/05/2253334.aspx

最近二姨的贴图有些问题，图片无法显示，看到的都是小框框

Grant

参数解释部分重要的都已提供，这里如果没有，可以去21icbbs上找找。

Grant

这帖子还在啊，我已经没有原始的备份文档了。

Grant

cnxh 发表于 2020-5-24 22:23
我只测试过,ACS110,发现一个佷奇怪的问题,测试接的是一个功率100w左右大电阻负载时,竟然驱动端没给信号,竟 ...

开关的四个阶段，检查你的触发条件，是否满足了第二阶段的前两个条件，通电瞬间dI/dT误触发了。ASC110，内部集成了迟滞dI/dT的电路，应该这方面的特性会比BTB/BTA好一些的