搜索
TRIAC的应用设计TRIAC的应用设计Writtenby:徐作林Time:Dec.20.20131主要内容一.选择TRIAC的理由二.TRIAC的参数详细讲解三.TRIAC的失效模式与预防四.产品新项目的设计参数要求五.新项目的原理图设计六.新项目的TRIAC选型与分析七.设计过程中的问题与分析八.小结与建议九.总结TRIAC的应用设计2一.选择TRIAC的理由相比于继电器,TRIAC有以下优点:※没有可活动的部件→提高使用寿命及其可靠性→抗震动和摆动能力强→无触点颤动→无机械噪声※更容易驱动（可使用脉冲触发，达到节能的效果）3TRIAC的应用设计二.TRIAC的参数详细讲解要使用TRIAC，我们就首先得了解可控硅，所谓知己知彼，方能百战不殆嘛。我相信大家对TRIAC的基本原理早已耳熟能详了，所以我在这里就不再重复。下面就让我们以大名鼎鼎的ST公司的TRIAC为例，一起来对其参数进行一次全方面的理解。如附件所示：4TRIAC的应用设计三.TRIAC的失效模式与预防像其它功率元器件一样,可控硅在可能会受到以下应力冲击：机械应力热应力电气应力如果超过元器件本身规格值后会导致失效，一般来讲,可控硅失效会表现以下几种:第一阳极(A1)和第二阳极(A2)之间短路或开路;第一阳极(A1)和第二阳极(A2)之间出现半导通(对双向可控硅而言);第一阳极(A1)和控制极(G)之间的短路或开路;第二阳极(A2)和控制极(G)之间的短路或开路;上述四种失效中,第一和第二种失效是经常发生的!A2A1G5TRIAC的应用设计过大的机械应力可造成可控硅失效，在受到撞击或挤压后，可控硅内部晶圆会因外力作用而导致变形，甚至导致晶圆和散热器之间脱落，导致散热不良而损坏。表现为半导通等。在过去做过失效分析数据中，大部分机械应力都来自制造过程中的打螺丝工艺，以下是ST公司推荐的螺批扭力：3.1机械应力封装螺批扭力接触热阻TO202-35~7kgf0.5℃/WTO-220AB4~6kgf(*)0.5℃/WISOWATT2204~6kgf0.5℃/WTOP39~12kgf0.1℃/WRD919~12kgf0.1℃/WISOTOPTM9~12kgf0.05℃/W(*)对于BTB20-/BTB24-/TYN××40,最大扭力是5kgf6TRIAC的应用设计在设计过程中如果可控硅表面或内部结点温度过高，也会导致失效，原因是温度过高后，导致漏电流等参数急剧增加，使得可控硅控制极失去控制。表现为短路/开路或半导通；以下是基本的热应力计算：TjmaxTa+Pd×[Rth(j-c)+Rth(c-h)+Rth(h-a)]或TjmaxTa+ΔT(j-a)对于T1235H-6I产品而言，它是高结温产品，与普通产品不同，它的结温极限高达150℃,即使在元器件表面温度达到120℃时，它还能正常工作。3.2热应力7TRIAC的应用设计在电气设计中如果在可控硅两端施加了过高的电压和过大的电流或过高的di/dt，就有可能会导致失效。在可控硅关断时，如果来自电网的电压（比如说打雷）超过可控硅可承受的耐压，则晶圆的外层会被熔化。（参考右图一）表现为A1和A2之间短路或正反向耐压失效在可控硅关断瞬间（特别对于感性负载），如果尖峰电压过高，也会导致可控硅在金属层边缘上穿通，有时也会在角落上。见右图二：表现为A1和A2之间短路图一图二3.3电气应力（一）8TRIAC的应用设计在电气设计中如果在可控硅两端施加了过大的瞬间电流，会导致晶圆严重损毁。见右图三。表现为A1和A2之间或者A1和G之间或者A2和G之间短路或开路。见右图三3.3电气应力（二）图三在电气设计中如果在可控硅两端施加了过高的di/dt，会导致靠近控制极的金属层穿通，见右图四。表现为A1和A2之间短路或正反向耐压失效。图四9TRIAC的应用设计因过压而致，应选耐压高的可控硅产品或在可控硅A1和A2之间加压敏电阻。VTVmainsLOADVDRVTITVmainsRC因过高dv/dt所致，应选耐dv/dt高的可控硅产品或在可控硅A1和A2之间加RC吸收网络。4.失效预防因过高瞬态电流所致，应选ITSM高的可控硅产品或施加保护电路，有分立元器件和IC两种，目前ST也有推出类似产品，型号是STCC08因机械应力所致，则应重新看下作业过程中螺批的扭力是否符合供应商推荐值。因热应力所致，则应重新计算散热器的面积和选择高结温产品。10TRIAC的应用设计四.产品新项目的设计参数要求1.新项目是一款商业用的手持式搅拌机2.Powersupply：120VAC60Hz3.Ratingpower：350W4.Hispeed:18000rpmLowspeed:8000rpm5.需符合安规要求和客户指定的EMS测试要求11TRIAC的应用设计五.新项目的原理图设计根据产品的上述设计要求，出于成本考虑，我们采用了如下原理图方案：12TRIAC的应用设计六.新项目的TRIAC选型与分析1.原理图的初步分析：a)利用可控硅的通断特性把它作为高压交流开关控制马达的启动；b)通过设计可控硅的触发电路，调整可控硅的导通角从而改变马达的平均工作电压实现对马达的调速控制13TRIAC的应用设计六.新项目的TRIAC选型与分析2.可控硅的选型分析：产品的电源额定电压为120VAC60Hz,负载马达的额定功率为350w,所以额定电流约为3.0A；加之产品的结构决定了我们PCBA装配的空间非常有限，所以我们选用了ST公司的一款可控硅：T1235。下面结合这款可控硅的规格书从技术角度来分析我们的选型是否合理：a)产品的额定电流为3A,而TRIAC的最大电流有效值IT（RMS）为12A（壳温为105度时），按照应用于感性负载的设计经验计算取3倍的负载电流额定值3X3A=9A,相当于降额到9/12=75%使用，安全裕量有25%。b)产品的电源电压为120VAC60Hz,而TRIAC的最大电压有效值为600V,按照设计经验计算取3倍的电压额定值3X120V=360V,相当于降额到360/600=60%使用，安全裕量有40%。c)T1235是一款无需吸收缓冲电路的贴片安装型可控硅，驱动简单易行。而且其要求的门极驱动电流最大值为49mA(结温25度时需要的最大驱动电流值为35mA,结温达到0度时为35mAx1.4=49mA,结温达到100度时为35mAx0.5=17.5mA)。我们触发电路能够提供28V/47ohm=595mA的电容放电驱动电流（50mA-595mA,维持的脉宽为8us.).很显然，驱动电流已经足够。不会出现驱动不了的情况。14TRIAC的应用设计六.新项目的TRIAC选型与分析d)马达的启动电流最大峰值为37.5A,T1235的ITSM很大（在60Hz，结温为25度时为126A；在60Hz，壳温为90度时为42A），而且有PTC和fuse作大电流过流保护，可以确保可控硅不会因为大电流而失效。e)T1235的I²t为78A²s,大大高于保险丝的值（48A²s），确保保险丝能够快速熔断从而保护可控硅。f)T1235导通状态时的dI/dt允许最大值为50A/us(结温为125℃时）,实测的最大电流上升率为9.72A/ms(=42.8A/4.4ms),在安全范围之内。g）T1235的门极电流允许最大峰值为4A（结温为125℃时）,实测的门极电流最大峰值为595mA.h）T1235的门极平均功耗允许为1W（结温为125℃时）,实测计算后最大值为1.3V*50mA=0.065W.裕量太大了。i）T1235允许的结温范围是-40℃～125℃,实测最大壳温为38℃,计算后所得结温为41.64℃j）T1235允许的门极触发电压最大值为1.3V,它的非触发门极电压最小值为0.2V（若高于它，就有可能产生误导通）;实际上只要DB3能够导通（28V时就已经导通），一定能保证达到1.3V的门极触发电压，当DB3处于截止状态时，可控硅门极电压为0V.k）T1235在结温为25℃时需要的维持电流IH和闩电流IL分别为35mA和50mA，结温为0℃时需要的维持电流IH和闩电流IL增加到1.2倍（分别为42mA和60mA),而我们产品的负载额定电流为3A,不存在负载过轻的情况，所以不会有任何的异常问题。15TRIAC的应用设计六.新项目的TRIAC选型与分析l)T1235在关断过程中允许的最小dV/dtc为500V/us(结温为125℃时）,实测的最大电压上升率为38.7V/us（50.4V/1.3us)，在安全范围之内，不会出现误触发的情况。m)T1235在关断过程中允许的最小（dI/dt）c为6.5A/ms(结温为125℃时）,实测的最大电流下降率为3.6A/ms，在安全范围之内，不会出现误触发的情况。n)T1235的导通态电压降峰值为1.55V(结温为25℃时）,实测的值为1.60V,在误差范围之内。o)在125℃结温时，T1235的门槛电压最大值为0.85v,动态电阻为35mΩ，所以可控硅自身产生的功耗经计算，结果为2.615wp）T1235的漏电流最大值为5uA(结温为25℃时）,和最大值为1mA(结温为125℃时）,经计算所得静态功耗为最大1.55x1mA=1.55mW.非常低,可以忽略不计.q）T1235的热阻Rth(j-c)为1.4℃/W,热阻Rth(j-a)为45℃/W,在室温为25℃时,测得最大壳温为38℃,所以计算得到实际工作结温的最大值为41.64℃.16TRIAC的应用设计七.设计过程中的问题与分析a)产品在高速模式下（转速为18000rpm)能工作正常，但是在低速模式下（转速为8000rpm)马达出现很明显的异常抖动b)改善第一个问题后，产品在做EFT测试过程中发现：在干扰脉冲±2kV，5kHz的测试条件下，无论是低速还是高速模式下，主机都能正常工作，转速平稳；但是在干扰脉冲±4kV，2.5kHz的测试条件下，无论低速模式还是高速模式，都出现马达明显异常抖动的现象。1.发现的问题17TRIAC的应用设计七.设计过程中的问题与分析a)产品在高速模式下（转速为18000rpm)能工作正常，但是一进入低速模式下（转速为8000rpm)马达就出现很明显的异常抖动，而且马达表现得有气无力。据此现象推断：可控硅无法正常触发导通。经过测试波形发现：高速时，可控硅的关断与导通都正常，所以转速很平稳，马达不会出现抖动；观察低速时可控硅的驱动电路充放电电容（C103=150nF)的电压波形和可控硅的触发电流波形（R105=47Ω的电流波形），以及给电容充放电的电流波形（R103=47KΩ）。结果从触发电流的波形可以看出：可控硅周期性地没有导通（丢失了很多应该触发导通的触发信号，每次持续的时间大约有10个电源波形的周期，即160ms).就是说可控硅的关断时间太长，导致就跟反复上电断电马达不断重启一样的结果，所以马达就出现了不断的抖动，而且转速不稳。通过观察有效的触发信号波形，得到它的触发电流值和脉宽都在产品规格书要求的范围之内，这说明只要有触发电流产生，可控硅就能够很好地开通。而丢失触发信号发生的时间，充放电电容没有达到DB3的导通电压最低28V,实际上在充电电容电压达到24V左右，充电电流就已经减小到零甚至反向了。由此不难得出结论：真正的原因是电容的充放电时间常数太长了，导致充电电容的电压有很多机会根本达不到28V,触发不了DB3,所以产生不了触发电流。2.问题分析18TRIAC的应用设计七.设计过程中的问题与分析针对上述问题，我决定减小充电的限流电阻R103的值（改为30KΩ），即加大C103的充电电流，从而加快电容的充放电速度。改善马达抖动的效果非常明显，因为可控硅丢波的数量明显变少了。其实将C103改为100nF后，可控硅丢波的数量急剧减少，但是马达的转速也上升很多。由此看来，降低马达转速和调快充电电容的时间常数是一个不可调和的矛盾。这是采用此种调速方案不可避免的一个问题。因为项目进度和成本的关系，我们来不及更改采用别的调试方案（例如采用MC