第五章-三端双向可控硅元件和其他硅控整流器-.

现代工业电子学1第五章三端双向可控硅元件和其他硅控整流器（半导体闸流管）1第五章三端双向可控硅元件和其他硅控整流器（半导体闸流管）TriacsandotherThyristors前言：Triac和SCR动作相同，只不过可双向导火，此两元件都为半导体闸流管（闸流体）家族成员。有些半导体闸流管由闸极信号控制进入导火状态，如SCR和Triac，有些由外加电压至其转态值时转入导通状态，如四层二极管和Diac，不能开关传入主负载电流的小型半导体闸流管，称为电压转态元件（有时称崩溃元件），通常只作为SCR、Triac等可开关大负载电流的半导体闸流管的闸极触发电路。学习目标：1解释Triac在控制交流电源推动电阻性负载的工作原理2正确定义并讨论Triac的重要电气参数，如，闸极触发电流，保持电流等3说明作为Triac触发电路的定电压转态元件的工作原理，并讨论其优点4祥述下列定电压转态型元件的电流对电压特性，包括：Diac、四层二极管、硅双向开关（SBS）、硅单向开关（SUS）5祥述Triac触发电路上，电阻反馈/电压反馈使之导火的工作原理，计算在Triac触发电路上，使用电阻反馈和电压反馈的电阻值和电容值6解释半导体闸流管的特性曲线，读出转态电压，转回电压，保持电流5-1Triac的理论与工作原理（TheoryandOperationofTriacs）Triac是一三端元件，用以控制流向负载的平均电流，与SCR最大不同在于：Triac在电源的正负半周都能导通。当Triac处于截止状态时（off），无论外加电压极性如何，两主端点间无电流流动，如开启的开关。处于导通转态时（on），两主端点间构成一电阻极低的电流通路，电流流向根据外加电压而定（方向一致），如闭合的开关。负载的平均电流取决与每周期内，Triac处于导通的时间多少，可以调整，与SCR类似，现代工业电子学1第五章三端双向可控硅元件和其他硅控整流器（半导体闸流管）2长，电流大，短，电流小。Triac的导通角度可达360°，可做全波控制（与SCR半波不同）。Triac优于机械手开关：无接触反弹、无接触火化、动作较迅速、更准确地控制电流。5-2Triac的波形（TriacWaveform）现代工业电子学1第五章三端双向可控硅元件和其他硅控整流器（半导体闸流管）3如SCR，Triac具有很坏的电气特性差异，如正负半周的延迟角的差异，有时需采用某些方法消除此导火不调和性。5-3Triac的电气特性（ElectricalCharacteristicsofTriac）顺向：电压MT2MT1。用以触发的闸极电压记为VGT（一般0.6-2.0V），闸极电流IGT（0.1-20mA）常因温度变化而变。对一特定Triac，顺向与反向的IGT不同。如同SCR，Triac一旦导通后，不必继续维持闸极触发电流存在，在主端点电压极性改变或主端点间流通电流低于保持电流IHO（一般100mA）前，Triac继续维持导通。另外一些重要特性：1）主端点可容许最大有效值电流IT(RMS)，在此之内，Triac可承受（一般，1，3，6，10，15，25）2）主端点转态电压（breakovervoltage）VDROM，在无闸极信号时，维持截止状态，现代工业电子学1第五章三端双向可控硅元件和其他硅控整流器（半导体闸流管）4主端点所能加的最大电压，若超过，则无论闸极有无控制信号，都会导通，但不会对Triac造成损坏（一般，100，200，400，600）5-4Triac的触发方法（TriggeringMethodsforTriac）5-4-1RC闸极控制电路现代工业电子学1第五章三端双向可控硅元件和其他硅控整流器（半导体闸流管）5每半周，电容器C由R1，R2充电，正半周，上正下负，供应触发闸极电流，顺向导通Triac；负半周，上负下正，供应触发闸极电流，反向导通Triac。C充电速度由R2调整，R2大，速度慢，延迟角大，负载平均电流小，R2小，反之。a图延迟角不超过90，b图，改良后，可超过。5-4-2定压转态元件组成的闸极控制电路图5-4的闸极控制电路可在闸极加一定压转态元件加以改良，如Diac（其他亦可），送入闸极是脉冲式电流非弦波式电流（RC闸极控制电路），较RC电路为优。Diac，双向触发二极管（bidirectionaltriggerdiode）或对称触发二极管（symmetricaltriggerdiode），典型的电流-电压特性曲线。当供应的顺向电压低于Diac的顺向转态电压（forwardbreakovervoltage）VBO时，Diac无电流流动，一旦电压达到，Diac导通，电流突然加大，两端电压下降，造成脉冲电流；反向电压区，类似。Diac的温度特性稳定，顺向、反向转态电压差异小（低于1V），因此2个半周延迟角几乎相等。一般，Diac的转态电压为32V，十分适合交流供电系统。因Diac的转态电压较高，因此，相同的导火延迟角，RC时间常数要降低（对比RC电路），R/C值要求小些。另一种Diac的符号表示法，较少使用。现代工业电子学1第五章三端双向可控硅元件和其他硅控整流器（半导体闸流管）65-5硅双向开关（SiliconBilateralSwitches）5-5-1SBS的理论和动作原理（TheoryandOperationofanSBS）SBS，硅双向开关（SiliconBilateralSwitch），另一可触发Triac的转态元件。适于低压触发控制电路，转态电压较低（8V），电流-电压曲线与Diac类似，但“负电阻区”较为明显，电压降落区间较大（8降至1，有7V的转回电压，breakovervoltage）。SBS的闸极用于改变SBS的基本电流-电压动作，若闸极不接，可取代Diac，但SBS有如下优点：1）导通区间明显2）温度变化稳定3）特性在正负半周较对称现代工业电子学1第五章三端双向可控硅元件和其他硅控整流器（半导体闸流管）74）同型号特性较为接近举例，一般SBS的温度系数为0.20%/度，正负转态差异0.3，同型差异0.1（而Diac为4V）5-5-2SBS的的闸极端应用（UsingtheGateTerminalofanSBS）SBS的闸极可用来转换基本转态特性，如图，加入增纳二极管，顺向状态电压变为VZ＋0.6（PN结），而反向转态电压不变。应用于正负半周不同导火延迟角（不太普遍）。现代工业电子学1第五章三端双向可控硅元件和其他硅控整流器（半导体闸流管）8现代工业电子学1第五章三端双向可控硅元件和其他硅控整流器（半导体闸流管）95-5-3SBS用于闸极消除Triac的迟滞（EliminatingTriacFlash-on（Hysteresis）withaGatedSBS）迟滞现象：从两个方向调整电阻（大变小，小变大），电路的反映不同，（hysteresis）原因：每个半周，C上残存反向的电荷，须克服后，才能正常充电。Triac的闪现现象即迟滞的一个特殊现象。现代工业电子学1第五章三端双向可控硅元件和其他硅控整流器（半导体闸流管）10当SBS的闸极端加入一个电阻R，因此有少量闸流由A2流向G，表示闸极电阻上的电压较A2为负，将使顺向转态特性急剧下降，转态电压降至1V，表示一旦A2对A1的电压达到1V时，SBS立即转态并导通（反向转态电压不变）。当交流电源完成正半周接近于0时，C上端电压为正，R3的上端电压对C的下端电压约为0V，因此二极管D1顺向偏压，顺向闸流，只要C的电压超过1V，SBS即导通，C放电（经过SBS，R4），当负半周来临，C已放电完毕，可由零电压开始充电，因此不论Triac是否导通，负半周都由同一初始电荷（此时几乎为0）开始充电，消除迟滞现象。5-6单向转态元件（UnilateralBreakoverDevices）单向转态元件：包括四层二极管、硅单向开关（SUS），常用于SCR触发电路，加上某些支持电路，可用于Triac的触发电路。现代工业电子学1第五章三端双向可控硅元件和其他硅控整流器（半导体闸流管）11四层二极管和SUS的动作与SBS类似，只是仅有顺向转态点（forwardbreakover），逆向崩溃电压（breakdown）很大，若有，会使元件损坏。SUS也具有闸极，改变其转态特性，如图，闸极阴极间接一增纳二极管（增纳的阴极接闸极，阳极接阴极），转态电压降为VZ+0.6。若SUS的阳极至闸极间流有电流，SUS就可在极低的阳极到阴极电压（约1V）下导通，控制动作与SBS类似。SUS是一种低电压、低电流的元件，大部分转态电压为8V，电流在1A以下。5-7用以触发Triac的四层二极管（BreakoverDevice（SUS）usedtoTriggeraTriac）工作原理：1桥式整流，加于RC电路现代工业电子学1第五章三端双向可控硅元件和其他硅控整流器（半导体闸流管）122C的电压与电源类似，滞后一个由R1、R2所决定的相位角度3C电压达到四层二极管的转态电压点时，四层二极管导通，C通过其向脉冲变压器（pulsetransformer）的初级绕组放电（转态电压20V），产生一个脉冲电流波形，持续至VC无法提供四层二极管导通所需的保持电流为止4脉冲变压器将电流耦合至次级，至Triac的G-MT1电路上，令Triac导火（脉冲变压器起到隔离作用）5无论电源极性如何，次级脉冲电流同向，Triac的闸极电流同向，均可导火，由主极电压决定方向（相反），与SCR不同，反向闸极电流会损坏SCR6导火延迟角由R2调整Triac的导火，与闸极电流与主极电压极性间关系，4种组合，正负主极电压与正负闸极电流。现代工业电子学1第五章三端双向可控硅元件和其他硅控整流器（半导体闸流管）135-8（Triac）截止状态下电压变动（上升）速度的临界值（CriticalRateofRiseodOff-StateVoltage（dv/dt））RC电路与Triac并联，防止Triac主极电压上升太快，超过Triac所能忍受的最大电压变化率，若超过，无论有无闸极信号，都立即进入导通状态（一般，100V/us）。若交流电源能保证无高速浪涌电流存在，则RC电路可以不要，但实际环境中，一个变电开关动作，就能引起瞬间浪涌电压，故需RC电路予以抑制。通常由C担任，将加于主极的高频信号旁路，对高频形成一极小的阻抗值，任何快速的交流电源噪音都可由C短路落在负载电阻上，而不会加在Triac上。R用于限制C放电电流，以免烧毁Triac。现代工业电子学1第五章三端双向可控硅元件和其他硅控整流器（半导体闸流管）145-9以UJT触发Triac（UJTasTriggerDevicesforTriac）Triac的触发电路控制常用UJT组成的电阻或电压反馈电路。5-9-1电阻反馈式UJT触发电路（UJTTriggerCircuitwithResistiveFeedback）工作原理：1T1为隔离变压器（isolationtransformer），圈数比为1：1，对初级和次级绕组予以电气隔离，使电源与触发电路独立，抑制噪音干扰。2桥式整流经过增纳剪截，送出与交流电源同步的24V波形3建立起24V电压后，C开始充电，至UJT峰值电压后，UJT导火，在T2初级线圈上建立电流脉冲，耦合送至Triac闸极，令Triac导通4C的充电速度由RF对R1比值决定，小则Q1偏压大，导通较厉害，供应较大电流，C充电较快，UJT导火快，负载平均电流大，大，则相反。恒流源工作原理：1忽略Q1的基极电流（慎选R1和RF的值），R1和RF看作串联电路，分压器2对于Q1，射极电流近似等于集极电流（放大倍数很高）3由公式得IC与RF值成反比，且为一定值4I为常数，由C的公式定压，可知充电速度为常数，电压为斜波现代工业电子学1第五章三端双向可控硅元件和其他硅控整流器（半导体闸流管）15现代工业电子学1第五章三端双向可控硅元件和其他硅控整流器（半导体闸流管）16现代工业电子学1第五章三端双向可控硅元件和其他硅控整流器（半导体闸流管）175-9-2电压反馈式U