如何用好可控硅？

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。

    计划以ST的一款可控硅数据手册为例，介绍可控硅应用的电路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。Philips虽有一个“黄金手则”，可惜要是没有对可控硅有深刻体会的，会很难理解里面的描述。

    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、SanRex、瑞萨的不要问我，算是对我的支持吧！TOSHIBA已经退出了这个市场，On才刚进来，我也不了解。

    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
     

正文：

一、概述
    功率控制使用的半导体器件主要就可控硅、MOSFET、IGBT等，因其各自的特性不同，控制场合方式也很大差异。(继电器不算半导体，没算上它)

    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以及其所在坐标相位！

    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
         

3、其它控制
    向去半波控制，比如只要正半周期，等等；        

三、可控硅电路设计需要注意那些参数？

    我们知道，一个完整周期的交流电波形有四个象限，可控硅控制交流电导通的一个导通周期也可以分为四个步骤：  


    我们分解了可控硅的一次导通周期所需要的过程，通过上面的图我们可以主要在每个过程中我们需要考虑的参数。

注：以下的内容将会涉及很多的专有参数术语，由于一些参数的叫法，有些参数国内有很多种说法，有些国内的叫法我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。

    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 的BTA06数据手册提供的主要特性参数表（资料下载地址请到前面寻找）。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，该值是在正弦波触发，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。

IGT(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，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。

    我们从前面的分解图可以清楚的看出，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周期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不要被击穿、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.       

    中文名称：关断状态正向不可重复峰值电压/关断状态反向不可重复峰值电压




    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过压保护的作用。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.

    中文解释：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；
    2、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。

 

 

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)、IL
4)、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。



    如果将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也要更小对干扰自身抵抗太差。

    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。

    

    现在我们回到ST 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)、IL
    英文全称：
   
    英文解释：




4)、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。

    总结：在这一阶段我们最关心两个问题：
1、负载加载电压的瞬间峰值电流是否会超出Igm，导通的瞬间电流的突变不能超过dI/dT。这个超限的后果往往是击穿！
2、触发电流是否可以满足要求？往往可控硅不触发多时因为这个原因导致的！（请校对需要触发的象限对使用的可控硅是否适用）。

 

这里我们总结一下，当我们使用MCU来控制可控硅的时候，我们对于不同类型的可控硅可以分别实现四个象限的驱动（Q4仅对可允许的可控硅）。通常我们会将MCU地与交流电供地的驱动方式叫“Primary Side”方式，将MCU地与交流电不供地的驱动方式叫“Secondary Side”方式。

    因为每一种方式下与可控制不同的象限，这里大致总结了可能的6种驱动方式结构图。图中最下面的四个系列，分别代表的是ST的四种可控硅类型，打勾的就是支持改方式应用，打叉的就是不支持这种方式应用。

1、Primary Side方式，正电源，Q1/Q4象限驱动：


2、Primary Side方式，负电源，Q2/Q3象限驱动：


3、Primary Side方式，正电源，Q2/Q3象限驱动：



4、Secondary Side方式，光耦隔离，Q1/Q4象限驱动：


5、Secondary Side方式，光耦隔离，Q2/Q3象限驱动：


6、Secondary Side方式，光耦可控硅，Q1/Q3象限驱动：


    

实例：
    下面的电路是使用ST7FLite09来控制一个灯的电路。
  

硬件：
1)、RC吸收网络



    C8、R9

2)、过压保护




3)、过零检测



    R1、R2、C2

4)、可控硅驱动



   PA3(MCU Pin13)、R4


软件：