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双向可控硅常常被用在功率开关器件上,常用于小功率单相电动机控制、照明控制和电加热控制等场合,通过触发信号控制可控硅导通时间,实现小型功率器件的输出调节。
双向可控硅有两个阳极T1、T2、门级G,由于其物理结构及生产结构问题,T1T2应严格区分。
为什么很少使用双向可控硅的第四象限?
- 物理结构:可控硅的导通机制依赖于其PNP和NPN双极性晶体管的组合结构。在第四象限触发时,需要通过门极向反向偏置的PN结注入足够的载流子以触发器件导通,这通常需要更大的触发电流。
- 触发灵敏度:第四象限的触发阈值电压和电流较高,且对噪声和干扰信号更为敏感,这增加了误触发的风险并可能影响系统的稳定性和可靠性。
- 开关性能:在第四象限工作时,可控硅的开关速度和dv/dt耐受能力可能会降低,这可能导致更高的开关损耗和电磁干扰(EMI),尤其是在高频或高压应用中。
- 制造工艺:生产四象限可控硅需要更复杂的制造工艺和质量控制,以确保在所有四个象限中都能稳定可靠地工作。这可能会增加成本和生产难度。
- 替代技术的发展:随着电力电子技术的进步,出现了其他更适合四象限操作的半导体器件,如IGBT、MOSFET等,这些器件在开关速度、效率、驱动复杂性和可靠性等方面具有优势,从而在许多应用中取代了四象限可控硅。
控制方式
双向可控硅通过门极施加驱动信号实现正向和反向导通,电压过零自然关断。
双向可控硅打开的条件为:T1级与T2级间,无论所加电压极性是正向还是反向,G级和T1级间加有正负极性不同的触发电压,就可触发导通呈低阻状态。双向可控硅关闭的条件为:双向可控硅一旦导通,即使失去G极触发电压,也能继续保持导通状态。只有当T1、T2电流减小,小于维持电流或T1、T2间电压极性改变且没有触发电压时,双向可控硅才截断,此时只有重新加触发电压方可导通。
隔离方式
在正常的使用双向双向晶闸管时,除去一些低成本方案,大多数采用电源隔离和光耦隔离。在采用电源隔离+光耦隔离的可控硅控制电路中,可控硅均工作在一三象限,选择三象限或四象限可控硅均可。
同时,选择的光耦也分为带过零检测的光耦和不带过零检测的光耦。
其中,有过零检测的只能控制一整个半波,不带过零检测的能控制导通角。过零检测的只能丢波,不带过零检测的能斩波。
有过零检测:交流电过零时,检测是否有输入信号,有当前周期导通,否则当前周期不导通
无过零检测:光耦在有输入信号开始到当前周期结束,是导通的。
EMI问题
使用无过零检测光耦时,需要额外注意EMI问题,斩波控制可能在电压及电流较高的情况下开启。较大的(电流对时间的变化率)和(电压对时间的变化率)可能会引起EMI(电磁干扰)问题,这些快速变化的电流和电压会产生高频谐波,这些高频谐波通过导线、接地系统或者空间传播,形成电磁辐射,干扰其他电子设备的正常工作。
可以在前级添加合适的滤波器(如Π滤波器、LC滤波器等)来抑制电流电压的快速变化。当然更好的办法是在零点给与触发信号。
我们可以选择使用过零电路给单片机信号,使得单片机通过不带过零检测的光耦(如MOC3021)在零点附近给予触发信号。常用的过零检测电路可看几种过零检测方案 。
另一种常用的方案是采用MOC3041、MOC3042等带过零检测的光耦,在交流电过零点时才会触发内部的可控硅导通。这种设计使得可控硅总是在电压为零的瞬间开通,这样可以减小开通瞬间的电流冲击和电压应力,降低开关损耗,延长可控硅的寿命,并且有助于减少电磁干扰。