三端雙向可控硅(triacs)是用于交流應用的開關，堅固耐用并且易于操作，因此從咖啡機到冰箱均可見其蹤影。高換向三端雙向可控硅開關也稱為Alternistor，具有改良后的換向特性，甚至能夠經濟高效地靜音開關感性負載，并且使用壽命長。

交流電三極管即是三端雙向可控硅開關，是晶閘管系列的一部分，可以通過正電壓和負電壓操作，一旦觸發(fā)便會保持導通狀態(tài)，除非接收到進一步的觸發(fā)信號，否則直到負載電流低于保持電流才會發(fā)生變化。當使用交流電壓運行時，這種情況最遲發(fā)生在電流過零點。

如圖 1 所示，其結構可以看作為兩個電氣隔離的反并聯(lián)晶閘管，它們共享一個柵電極，兩個晶閘管的電源區(qū)域的控制面重疊。有兩種控制三端雙向可控硅開關的方法。

圖 1：具有主端子 MT1_= _node 1、MT2_=_Anode_2 和柵極的三端雙向可控硅開關電路符號，MT2 通常直接連接到封裝。

圖片來源：儒卓力

第一種是突發(fā)控制 (Burst control)，允許開關在一定數量的半周期導通，然后在幾個半周期保持關斷。這導致負載上的平均功率取決于導通和關斷半波的比率，在圖 2，這一比例為2:1。

圖 2：突發(fā)控制示意圖

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電網規(guī)定的周期長度只允許設置整數比，這限制了輸出變量的量化。為了獲得有用的時間平均值，導通和關斷周期必須在幾個半波的范圍內。

突發(fā)控制用于控制交流電壓消耗器的功率，典型應用包括流量加熱器和電加熱器。由于開關僅僅發(fā)生在電流過零處，因此在很大程度上避免了奇次諧波。

第二種是相角控制，可在每個半周期開始后的設定時間觸發(fā)三端雙向可控硅開關。圖3的示意圖顯示其功能原理。

圖 3：相角控制原理

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通過改變觸發(fā)三端雙向可控硅開關的時間(也稱為觸發(fā)角)，能夠控制周期性平均值。通過自由選擇觸發(fā)角，允許在0 到100%范圍內對平均值進行模擬調整。圖 4 的例子是用于調光器的簡便觸發(fā)操作。

圖 4：簡單三端雙向可控硅電路用于相位控制

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靜音耐用：雙向可控硅開關對比繼電器

與機電繼電器不同，雙向可控硅是固態(tài)繼電器，并且具有一定優(yōu)勢：它們靜默地運作，并且沒有機械磨損，因此使用壽命相比繼電器長得多。三端雙向可控硅開關不會出現(xiàn)顫振或電弧和火花，因此可以用于禁用發(fā)出火花繼電器的潛在爆炸環(huán)境。三端雙向可控硅開關也可用于負載的相位控制，從而為小型和大型家用電器的應用開辟了廣闊空間。三端雙向可控硅開關適合用于從咖啡機到冰箱的各種設備，用以控制溫度、光照強度和電機速度等參數。

相移產生影響

當陽極和陰極之間的主電流低于保持電流時，晶閘管和三端雙向可控硅開關則關斷。通過在關斷后重新組合電荷，這種開關操作會產生所謂的返回電流。如果在柵極的相鄰區(qū)域中存在剩余的過量電荷，并且在過零后電壓再次升高，則可能會觸發(fā)三端雙向可控硅開關中的第二個晶閘管。

在高達 400 Hz 左右的電網頻率和正弦波形下，由于電流和電壓是同相的，因此純歐姆負載的換向操作不存在問題。正如預期，換向發(fā)生在電流的過零處，這與由于相移引起的電壓過零同時發(fā)生。圖 5 顯示了由此產生的電流和電壓變化。

圖 5：純歐姆負載換向

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如果三端雙向可控硅開關用于控制電流和電壓之間發(fā)生相移的感性負載，則會出現(xiàn)圖 6 所示的情況。

圖 6：感性負載換向

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在電流過零期間，三端雙向可控硅開關的主端子上會出現(xiàn)電壓。由此產生的電壓dv/dt 快速變化可能會錯誤地觸發(fā)敏感的三端雙向可控硅開關。因此，需要非常仔細地設計可控硅開關的控制電路。

選擇合適的三端雙向可控硅開關的一個重要參數是允許電壓上升率 dVcom/dt。如果超過此數值，則組件不會關斷;為了保證關斷，必須限制換向間隔期間的電流下降率 dIcom/dt和關斷操作后的電壓上升率 dVcom/dt。三端雙向可控硅開關的數據表包含最大允許換向電壓上升率數據，具體取決于三端雙向可控硅未觸發(fā)時的陽極電流下降率以及組件溫度。

緩沖網絡可防止不必要的觸發(fā)

如果三端雙向可控硅開關必須在預期可能出現(xiàn)錯誤開關的感性負載電路中運行，則通常將放電或 RC 緩沖網絡與三端雙向可控硅開關進行并聯(lián)(如圖 7)。緩沖器確保三端雙向可控硅開關不會負載過重或因電壓突然升高而過早觸發(fā)，例如由電網電源中的電壓峰值引起的情況。此外，可以通過串聯(lián)電感器來限制電流上升率 dI/dt，這意味著盡管電壓的變化很大，但仍然不會觸發(fā)三端雙向可控硅開關。

圖 7：具有 RC 緩沖網絡的雙向可控硅

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在選擇合適的緩沖網絡時，必須仔細選擇各個組件。這里的關鍵因素是負載電感、交流電源的頻率和負載的有效電流。緩沖電阻必須足夠高，以防止電壓過沖，并將使用三端雙向可控硅開關的電容器的峰值放電電流限制在所允許 dI/dt 范圍內。緩沖電容器必須針對電源系統(tǒng)的全交流電壓進行設計。

然而，與三端雙向可控硅開關并聯(lián)的緩沖器網絡增加了電路的復雜性，并且導致緩沖器中出現(xiàn)額外的功率損耗。

更好的簡化電路設計方法是使用Alternistor。與標準三端雙向可控硅開關不同，這些高換向三端雙向可控硅開關更好地分隔了兩個“晶閘管半波”，從而具有更好的換向穩(wěn)健性。更高的允許dVcom/dt還可以在沒有緩沖器的情況下控制感性負載，這項特性可改善具有更高頻率或非正弦形狀的電流換向運作，而無需使用額外的電感器來限制 dI/dt。

這表明：使用交流電阻器減少了組件數量并在電路板空間和系統(tǒng)成本方面節(jié)省了大量成本，使得開發(fā)人員可以創(chuàng)建更簡單的設計。

高感性負載的選項

Littelfuse提供的Alternistor具有至少是其標稱電流十倍的高浪涌電流承受能力。這項性能在具有感性負載的電路中很重要，因為電感器的浪涌電流是標稱電流的數倍。浪涌電流限制 ITSM 是 10ms或 8.3ms持續(xù)時間(50 或 60 Hz)的正弦半波形式的通態(tài)電流浪涌峰值，在發(fā)生短路時三端雙向可控硅開關可以承受這個電流而不會損壞。當三端雙向可控硅開關加載有浪涌電流限制時，阻隔層溫度會在短時間內升高。

Littelfuse提供采用不同機械和耐熱封裝的Alternistor產品，包括絕緣和非絕緣型款。分立封裝允許使用彈簧夾進行安裝，以減少安裝工作量，所使用的夾式鍵合技術廣泛用于制造高性能半導體模塊和組件，保證了出色的可靠性。夾式鍵合技術采用的實心銅橋提供更好耐熱性和超快開關能力，代替了芯片和引線之間通常使用的焊線連接。

銅夾的接觸面比焊線大得多，熱量可以更有效地從芯片頂部散發(fā)到引線框架，從而改善了散熱性能。這樣降低了運行期間的最高阻隔層溫度，從而延長了三端雙向可控硅開關的使用壽命并提高了可靠性。所有三端雙向可控硅芯片都具有玻璃鈍化的阻隔層，從而保證了長期的可靠性和組件參數的穩(wěn)定性。

冷卻葉片采用內部電隔離，隔離電壓高達 2500 V RMS，所有組件均通過 UL 認證(參考文件 E81734)。這樣無需使用和安裝單獨的絕緣體，與采用帶電冷卻葉片的設計相比，可以節(jié)省成本。與傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂絕緣相比，使用陶瓷絕緣帶來更好的散熱性能和更長的使用壽命。

在Alternistor產品領域中，有四大系列特別值得業(yè)界關注，它們僅在象限 I、II 和 III 中運行(如圖 8)。由于典型應用通常連接到交流電路，因此三端雙向可控硅開關在 I 和 III 象限中工作，可以包容第四觸發(fā)象限的損耗。

圖 8：Alternistor三端雙向可控硅開關的觸發(fā)象限

圖片來源：Littelfuse

Qxx10Hx：10 A型款提供采用 TO-220AB 封裝和 TO-263 SMD封裝 (D2Pak) 的絕緣產品和非絕緣產品。ITSM 為120 A (60Hz)。25 A型款 (Qxx25xHx)則提供以下封裝選項：TO-220 絕緣和非絕緣;堅固絕緣的 TO-218 和 TO218X 封裝(帶焊片);TO-263 SMD 封裝 (D2Pak)。ITSM 為 250 A (60Hz)。

QJ 系列高溫Alternistor產品尤其是亮點：QJxx16xHx是一款 16 A 功率雙向可控硅，采用 TO-220AB 和絕緣 TO-220 及TO-263 封裝，最高阻隔層溫度為302° F (150°C) ，ITSM 為200 A (60Hz)。25 A型款(QJxx25xHx)采用相同的封裝，使用堅固絕緣的 TO-218 和 TO218X 封裝(帶有焊片)。這款三端雙向可控硅開關的最高阻隔層溫度為 302°F(150°C)，ITSM 為 250 A (60 Hz)。

QJ系列產品能夠簡化熱管理，并具有高浪涌電流耐受能力，允許在加熱和電機控制應用中出現(xiàn)高浪涌電流，有助于解決交流電源控制應用中的過熱問題。

總結

三端雙向可控硅開關非常適合交流電壓開關和相位角控制應用，例如加熱、照明和電機速度控制。這種開關可用于電流從電源插座流出的任何位置，包括在咖啡機、流量加熱器、紅外線加熱器、廚房電器、電動工具、加熱控制、交流半導體繼電器、調光器和電機速度控制系統(tǒng)中。

本文作者：儒卓力標準產品經理 Thomas Bolz 和 Littelfuse 技術營銷部 Tawade Prasad

審核編輯：湯梓紅