双向可控硅原理及在家电产品中应用研究

龚辉平

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

引言

双向可控硅是一种硅可控整流器件，也称作双向晶闸管。这种器件在电路中能够实现交流电的无触点控制，以小电流控制大电流，具有无火花、动作快、寿命长、可靠性高等优点。双向可控硅的应用场景广泛，如调光台灯、加热功率的无级调节等。本文从双向可控硅的工作原理、工作象限和关键参数等进行分析入手，得出双向可控硅控制家电产品中功率为10 ～ 2000 W的阻性加热负载的注意事项，确保系统工作可靠，电磁干扰稳定。

1 双向可控硅的工作原理及应用方式

双向可控硅有三个管脚，控制极G、主电极A1 、A2 ，其属于半控性器件，向控制极G外加正向触发脉冲使可控硅导通，可控硅一旦导通则必须在电压过零时才会自行关断[1],其实是电流过零时，可控硅IT电流小于保持电流IH，可控硅才关断。双向可控硅符号如图1所示。

图1 双向可控硅符号

可控硅导通：要保证可控硅的可靠导通，主要考虑的因素有两个：一个是门极触发电流IG需要高于芯片规格书的IGT；一个是流过可控硅的IT电流需要达到闭锁电流IL之后，才能撤离门极触发电流IG。双向可控硅开通时序如图2所示。

图2 双向可控硅开通时序

根据可控硅不同的应用场合，可控硅有斩波控制和零电压开关（即过零导通）两种方式（如图3、图4所示），斩波控制是在交流电源电压非零点进行触发，存在比较大的dV/dt、dI/dt，零电压开关控制在零点进行触发，相对斩波控制不存在dV/dt、dI/dt的问题，或者数值比较小。

图3 斩波控制

图4 零电压开关控制

2 可控硅的工作象限

就工作象限而言，可控硅可以分为三象限和四象限可控硅，四象限相对来说是属于比较早的产品，三象限是比较新的产品。图5中根据门极触发电流Ig的电流方向和A2 、A1的电压大小进行象限区分的说明。第一象限Q1 ：Ig为灌电流灌入栅极，VA2 -A1 ＞ 0；第二象限Q2 ：Ig为拉电流从栅极流出，VA2 -A1 ＞ 0；第三象限Q3 ：Ig为拉电流从栅极流出,VA2 -A1 ＜ 0；第四象限Q4 ：Ig为灌电流灌入栅极，VA2 -A1 ＜ 0，此象限的灌电流较高。

图5 四象限可控硅

四象限的可控硅理论上都是能够在一二三四象限进行工作,但是当工作在第四象限下可控硅需要较大的门极触发电流[2],且可控硅抗电流和冲击的能力比较弱,即dI/dt参数相对于其他的工作象限会偏低,可控硅容易误触发或损坏,因此我们要尽量避免其工作在第四象限,最常见的情况就是它们工作在第一三象限组合,第二三象限组合。

3 家电产品中阻性加热负载使用可控硅控制的可靠应用要点

3.1 可控硅的四个工作阶段

以T3035H-6I为例对关键参数进行分析。首先分别对可控硅的各个工作状态下需要注意的参数进行分析、评估，分为OFF、TURN-ON、ON、TURN-OFF这四个阶段，如图6。

图6 可控硅的四种工作状态

3.1.1 OFF：断态

可控硅断态的情况下，应该关注dV/dt，过大的dV/dt会引起可控硅的误导通，恶劣情况下会将可控硅击穿。

引起误导通的机理，由于可控硅内部存在寄生电容，并且这个寄生电容与可控硅的通态均方根电流成正相关关系（即可控硅通态电流越大，由于制作工艺问题其内部的寄生电容也越大），可控硅A2 、A1两端的电压变化率dV/dt会产生相应的容性电流，当dV/dt超过规定值，则可能通过寄生电容的充放电与门极构成回路而导致误导通。

如图7中，容性电流IG=C*(dV/dt)，所以在设计中应该重点关注该参数，有效地预防和提高可控硅的抗干扰能力，在电路上主要有两个方法：

图7 可控硅寄生电容

1）在可控硅A2 、A1两端增加RC阻容回路，如图8左，吸收脉冲电压，有利于改善EFT性能；

2）在门极增加泄放电阻Rgk，如图8右，为产生的容性电流提供泄放通路。

图8 提升抗干扰能力的措施

在断态下要测试上电开机瞬间或者进行EFT即电快速瞬变脉冲群实验时需要评估该电压变化率是否满足器件规格书的要求，上电瞬间评估dV/dt时，最恶劣的情况应该是在波峰或波谷的瞬间上电，通过示波器监控的方法测试和计算dV/dt的值。

3.1.2 TURN-ON：开启瞬间

在可控硅开启瞬间需要重点关注dI/dt，尤其是在斩波应用当中，采用过零导通方式其dI/dt相对比较小。dI/dt超标问题同样也可以利用阻容回路来抑制电流的变化率。

3.1.3 ON：通态

可控硅导通期间，应该重点评估可控硅温升问题，需要注意的是塑封的可控硅温度最高点在可控硅背面，可以适当选择高结温的可控硅。同时需要关注结温对其他参数带来的影响，及关键参数的降额。

3.1.4 TURN-OFF：关断瞬间

在可控硅关断瞬间需要重点关注(dI/dt)c和(dV/dt)c这两个参数，也即可控硅的换象能力，需要注意的是这与dV/dt和dI/dt这两个参数是不一样的。当可控硅在切换象限的时候，电压的变化率(dV/dt)c较高，这个时候比较高的电压冲击对可控硅两边产生比较高的负荷，所以如果参数本身抵抗能力较弱的情况下，可控硅就比较容易被打坏；(dI/dt)c也是类似的情况，可控硅换象限的时候，冲击电流会比较大，如果可控硅的抗电流冲击的能力比较差，也就比较容易被打坏。

3.2 家电产品中阻性加热负载可靠使用可控硅控制的要点

斩波控制存在dV/dt、dI/dt，存在对于对可控硅的寿命不利，同时会带来很高的EMC设计成本，在家电加热负载中功率相对比较大，建议选择零电压开关即在电压零点附近进行触发的方案，避免系统带来的电压、电流冲击。

3.2.1 IGT门极触发电流

门极触发电流是保证可控硅可靠导通的门极电流，应该注意的是IGT受温度的影响较大，变化曲线如图9所示，当结温较低时，所需要达到的IGT越来越大；当结温较高时，所需要达到的IGT越来越小，也即越来越敏感。并且也可以看出工作在不同象限所需要的IGT变化曲线也是不同的，当结温较高时，工作在Q1象限的门极触发电流会稍大于Q3象限的门极触发电流。所以在设计驱动电路时，需要使门极触发电流大于两倍或者三倍的IGT。同时为了提高可控硅的抗干扰能力，在可控硅选型的时候，可以适当选择触发电流大一点的可控硅，可以避免外界杂波对门极的干扰，引起误触发。

图9 门极驱动电流、驱动电压与结温的关系

3.2.2 IT(RMS)：均方根通态电流

图10为通态电流与壳温特性曲线，根据壳温的变化，其通态电流会降低。在方案设计初期，务必对可控硅的温升进行评估计算，选择合适的散热器。

图10 导通电流有效值和壳温关系

3.2.3 VDRM/VRRM：可重复峰值断态电压

可控硅选型时，需要保证均方根通态电流和可重复峰值断态电压有足够的降额，尽量保证降额至60%使用。

3.2.4 VGT和VGD

VGT：门极触发电压，为提供足够的门极触发电流所应该达到的门极触发电压，且该门极触发电压与IGT相同，也与可控硅的工作结温关系密切，变化曲线可以参考图9。

VGD：门极不触发电压，为保证可控硅的可靠关断，需要保证门极电压不超过该电压值。

3.2.5 IH和IL

IH：保持电流，即可控硅IT电流低于保持电流IH，可控硅才自动关断；

IL：闭锁电流，即可控硅IT电流大于闭锁电流IL，可控硅才能完全导通。

4 家电产品中阻性加热负载应用可控硅控制时的电磁干扰一致性设计要点

通过对可控硅的特性及应用要点分析，可总结出如下两点。

1）门极触发电流IGT的大小受温度影响，温度越低，IGT越大，可控硅的导通瞬间dV/dt和dI/dt越大，随着可控硅工作自身温度变高，其导通瞬间dV/dt和dI/dt会变小；

2）不同象限的门极驱动电流不同，比如第三象限的门极触发电流要比第一象限大，则在第三象限提供驱动信号时，则产生的dV/dt和dI/dt会更大。

在应用选型和电路设计上务必牢记以上两点，否组系统工作时很容易出现电磁干扰如骚扰电压、骚扰功率等实验不合格或者测试结果一致性差的情况。现从可控硅工作必需的过零信号检测和驱动信号的设计上需要注意的事项进行分析。

4.1 过零信号检测电路的设计和信号采集

可控硅无论是斩波控制还是零电压开关即过零导通控制方案，其控制上均需要检测交流电压的零点电压。50 Hz的市电在20 ms周期有2个过零点，从负到正的过零点称为正向过零，从正到负的过零点称为负向过零，过零检测技术据此可分为单向过零检测和双向过零检测[3]。过零检测电路通过一定的手段检测出电压零点的时刻，确保后续的处理装置能够准确地检测到该信号从而实施相应的控制策略。

使用单向过零和双向过零检测技术时，必须在理论上分析其采样到的过零点和真实过零点是否存在偏差，以及不同工作条件下的一致性情况，理论上要求采样和真实的零点偏差小而且一致性好。如果系统获取的过零信号存在一些不足，需要通过其它一些手段进行弥补，包括硬件参数的选型规避、软件补偿等等。

过零信号须选择上升沿、下降沿或边沿触发等硬件中断触发方式，并设置中断为较高优先级，查询方式理论上存在一个比较大的最小误差比如100 us，为此不建议使用查询方式采集过零信号。

4.2 可控硅驱动信号产生的设计

可控硅的驱动信号优先选择MCU硬件产生，如芯片MCU资源有限无法由硬件产生驱动信号，需使用中断应用程序对IO口的高低电平来产生驱动信号的条件下，则务必选择较高优先级别的中断，确保驱动信号准确发出。

对于零电压开关的应用方案减小可控硅导通瞬间A1和A2的电压是解决EMC的有效方法，图11是双向可控硅的典型应用电路，门极触发电压取决于R5以及限流电阻R4的大小，两个电阻的选型将影响到系统的电磁干扰性能。在硬件上可以减小限流电阻R5以及减少驱动信号和过零信号之间的时间间隔，但要评估好不同工作条件下可控硅导通时刻的一致性。如果硬件电路上无法保证各象限导通时刻的电压值一致，可考虑在软件上确保在同一象限开通，在软件上避免在第三象限产生触发信号可以有效改善EMC的传导效果。

图11 双向可控硅驱动电路的拓扑结构

图12、图13分别对应限流电阻为510 Ω、255 Ω时可控硅A1、A2的波形，dV/dt分别约为91 mV/us、80 mV/us，即限流电阻越小则产生的电磁干扰越小，图14白色部分是通过示波器监控A1、A2电压波形，时间坐标ΔX = 580 us，理论上希望ΔX 数值小且一致性好。

图12 限流电阻为510 Ω时A1、A2波形

图13 限流电阻为255 Ω时A1、A2波形

图14 白色为开通时刻A1、A2两端的电压

5 总结语

通过对双向可控硅的关键参数和四个工作状态分析，输出双向可控硅在四种状态中需要重点关注的参数指标、提高抗干扰的一些措施，以及门极驱动电流、均方根通态电流IT（RMS）等设计选型要求，保证系统可靠工作。在电磁干扰一致性设计方面，围绕过零信号检测和双向可控硅驱动信号的设计，采用硬件和软件相融合思想，在过零信号软件采集、驱动信号电路的参数选型等方面进行分析，并验证限流电阻大小对dV/dt的影响等。在设计上最大程度降低电磁干扰和干扰的稳定性。