雙向可控硅不同象限觸發(fā)方式可靠性探究_圖文

1、雙向可控硅不同象限觸發(fā)方式可靠性探究郭偉1,謝勁松1,孫曉君1,何晶靖1,石均2,姜德志2(1.北京航空航天大學可靠性工程研究所,北京100083;2.青島海爾智能電子有限公司,山東青島,266072摘要:針對雙向可控硅在不同觸發(fā)象限條件下的觸發(fā)特性進行了實驗研究,考察了可控硅在上述條件下的不同觸發(fā)特性,明確了各種象限觸發(fā)之間的特性差異,并重點通過對上述各種觸發(fā)情況進行pspice 建模,解釋了實驗中所觀察到的可控硅在不同象限情況下存在觸發(fā)特性差異的原因。為后續(xù)的不同象限觸發(fā)對于可控硅的使用可靠性和壽命影響的研究提供了理論和試驗依據。關鍵詞:可控硅;觸發(fā)象限;電路仿真;失效中圖分類號:TN34

2、2+.2文獻標識碼:A文章編號:1672-5468(200805-0039-06TRIAC Trigger Characteristics of Different QuadrantsGUO Wei 1,XIE Jin-song 1,SUN Xiao-jun 1,HE Jing-jing 1,SHI Jun 2,JIANG De-zhi 2(1.Institute of Reliability Engineering ,Beijing Univ of Aeronautics and Astronautics ,Beijing100083,China ;2.Qindao Haier Zhinen

3、g ,Electronic Co.,Ltd.,Qindo 266072,China Abstract :Triacs in different triggering quadrants conditions were studied with experiments 。The different triggering characteristics in above conditions were analyzed to identify their differences.By Pspice modeling ,the experimental observed differences of

4、 triggering characteristics in different quadrants were explained which is useful for further research of their impacts on the operational reliability and life time of triacs .Key words :TRIAC ;triggering quadrant ;circuit simulation ;failure電子產品可靠性與環(huán)境試驗ELECTRONIC PRODUCT RE L IABIL I TY AND ENVI R

5、ONMENTAL TESTING可靠性與環(huán)境試驗技術及評價2008年10月第26卷第5期Vol .26N o .5Oct.,2008收稿日期:2008-06-11修回日期:2008-09-08作者簡介:郭偉(1983-,男,北京人,北京航空航天大學工程系統(tǒng)工程系(可靠性工程研究所碩士研究生,研究方向為可靠性工程、電子產品可靠性、故障物理。1引言在通常的家電電氣負載中,例如:馬達、閥門、燈管或者加熱器,都需要接通或切斷輸送給它的功率,有些則要求輸入功率能夠在一定的范圍內改變。使用雙向可控硅(TRIAC :Tri-electrode ACswitch 的固態(tài)功率控制電路具有簡單、可靠、價格低廉的優(yōu)

6、點,在負載功率變化的家電中得到廣泛的應用。在雙向可控硅器件的工程應用中,電路設計工程師非常了解這類器件在不同象限工作時其在電學性能特性上存在的差異。但是一個比較普通的問題是:在進行電路設計時,應該如何對工作象限進行選擇?選擇的依據是什么?選擇了某一工作象限后,對今后電路運行的穩(wěn)定性和可靠性會有何影響?所以,為最終能夠回答上述問題,本文作為一電子產品可靠性與環(huán)境試驗2008年圖2穩(wěn)態(tài)測試觸發(fā)電路(DC 1和DC 2均為5V 的直流電表2可控硅象限觸發(fā)特性可控硅型號第一象限第二象限第三象限觸發(fā)電流(I 1/mA 觸發(fā)電壓(V 1/V 觸發(fā)電流(I 2/mA 觸發(fā)電壓(V 2/V 觸發(fā)電流(I 3/

7、mA 觸發(fā)電壓(V 3/V T830W 10.000.8317.000.67(-0.03*15.000.81SM2LZ47 4.001.065.000.66(0.09*4.000.71(*注括號內為導通后的電壓。項前期研發(fā)項目,其研究目的就是了解可控硅的特性在不同象限觸發(fā)上所存在的差異性,然后通過電路建模和仿真來解釋造成這種差異的原因。按照觸發(fā)電位,可控硅可以分為4個相應象限。通過觀察發(fā)現,對于四象限的雙向可控硅來說,在第四象限的觸發(fā)需要更大的觸發(fā)電流I G 和觸發(fā)電流的持續(xù)時間,較低的d V t /d t 承受能力,以及容易使門極退化等劣勢,所以目前三象限可控硅較為普及。本文在已有的文獻和研

8、究的基礎上,著重于三象限可控硅的3個象限的觸發(fā),包括不同象限帶來的可靠性差異進行研究,明確了可控硅在不同象限的觸發(fā)機理;并且發(fā)現,可控硅在第二象限觸發(fā)導通的瞬間,有著較大的反向的電壓脈沖存在,這一特性對于可控硅的工作壽命潛在地存在著重大的影響。有鑒于此,本文在從觸發(fā)象限的角度進行了相關方面的探索,提出了相關的數值仿真的模型并得到了驗證。2不同象限觸發(fā)下的可控硅工作特性本研究采用了兩個不同型號的雙向可控硅樣品,其主要的技術參數如表1所示。由于大量的可控硅只允許在1-3象限觸發(fā)(如圖1所示,所以,為了便于比較,本文限于1-3象限的特性研究。2.1不同象限間的觸發(fā)特性探究首先在門極電路和負載電路同為

9、直流電的情況下,進行小功率負載不同象限的3Q 可控硅觸發(fā)試驗研究,電路測試圖如圖2所示?？煽毓璧脑诓煌笙尴碌膶ㄌ匦匀绫?所示,可以看出:可控硅在觸發(fā)電流的特性方面,第一、三象限小于二、三象限?；谏厦娴脑囼?在不同象限觸發(fā)情況下,測量T 1-G (門極電路的觸發(fā)瞬態(tài)電壓的變化情況,考察不同象限的觸發(fā)對于門極電路的影響,測試電路參照圖2(T 1-G 之間加入了示波器測試:結果如圖3(a -(c 所示。從圖3(a 可以看出,在可控硅第一象限導通的瞬間,觸發(fā)電壓有一個較小的階越上升現象出現,幅值為0.1V 左右。第二象限觸發(fā)波形,從圖3(b 可以看出,在可控硅第二象限導通的瞬間,觸發(fā)電壓有一個較

10、大的階越下降現象出現,并帶有明顯的負電壓脈沖產生,在重復試驗多次后,可以發(fā)現在2象限的導通時刻,均會有此現象發(fā)生。其中壓降為0.7V 左圖1可控硅的4個觸發(fā)象限(其中MT 1,MT 2分別對應相應的雙向可控硅的T 1T 2即陰極和陽極,G 對應門極,VMT 2和VG 則對應相當于T 1的電位正負可控硅型號控制極觸發(fā)電壓(V GT /V 控制極觸發(fā)電流(I GT /mA 通態(tài)平均電流(I T(RMS/A 通態(tài)平均電壓(U T /V 保持電流(I H /mA 控制極平均耗散功率(P G(AV /W T830W 1.3308 1.4501SM2LZ47 1.51022100.3表1樣品可控硅主要技術

11、參數T 2T 2+T 2G G+4Q onlyT 2GG-T 2GGA 1A 2T 2T 2GDC 2DC 1第5期右,負脈沖幅值為1.3V 。第三象限觸發(fā)波形,從圖3(c 可以看出在第三象限導通的瞬間,觸發(fā)電壓有較小的階越上升現象,其中上升為0.1V 左右。在瞬態(tài)的波形圖中,可以觀察到,一、三象限的觸發(fā)瞬間沒有明顯的脈沖波形,而在二象限有著較大的脈沖波形,而這種脈沖對于電路的正常工作會產生不利的影響。3脈沖及其時間變化率對器件可靠性的影響為了測試雙向可控硅在大的脈沖下所出現的誤導通情況,樣品選擇方面選擇了雙向可控硅作為實驗樣品進行了如下的實驗項目,電路圖參照圖4所示,觸發(fā)波形和測試波形如圖5

12、所示。通過上述實驗的波形比對,可以初步的的得到以下結論:a 電壓過電壓會造成可控硅非正常導通,但在電流受到限制的情況下,不會造成器件的損壞。如圖1(a 所示,T 2、T 1間的脈沖電壓當dV/dt 較小時,不會產生T 2、T 1間的非正常導通的現象的發(fā)生,但是當增大相應的dV/dt 后,達到額定的載荷后,T 2、T 1間就會發(fā)生非正常導通的現象。b 電流電流是觸發(fā)可控硅,使可控硅導通,以及造成可控硅失效的直接原因。當維持臨界導通的dV/dt 時,但是一旦串入相應的限流電容后,T 2、T 1間就會發(fā)生的非正常導通的現象便不再發(fā)生。所以說,相應的電壓的時間變化率dV/dt 在可控硅器件斷開時通過其

13、自身的電容產生電流,當此電流達到臨界值時,導致器件非正常觸發(fā)。c 電流的時間變化率過高的di/dt 造成器件內部局部受熱,是造成器件可靠性問題的另外一個原因。(a T 2-T 1之間的電壓脈沖波形郭偉等:雙向可控硅不同象限觸發(fā)方式可靠性探究圖3可控硅不同象限下導通的瞬態(tài)特征曲線(200mV/div (c 第三象限導通曲線圖4測試電路(a 第一象限導通曲線0.72V 0.81V0.75V0.83V(b 第二象限導通曲線0.67V -0.68V電子產品可靠性與環(huán)境試驗2008年4不同象限恒定觸發(fā)條件下的可靠性比較不同象限恒定觸發(fā)條件下的可靠性比較實驗,試驗電路如圖6所示。從如上的試驗可以看出,第2

14、象限觸發(fā)會伴隨有正反向電流脈沖,這與實際電路中測量到的結果一致,如圖7所示。這一結果表明:實際電路中控制端所發(fā)現的電壓電流脈沖與主干道的交變電流沒有直接的聯(lián)系,其本質原因是由于交變電流帶來的觸發(fā)象限的變化所致。2象限觸發(fā)在理論上必然要伴隨T 2-G 之間以及T 2-T 1之間電流的重新分配,從而導致控制端的正反向電壓電流脈沖,這樣會導致控制極的擊穿,如圖8所示,這一理論解釋通過數值仿真得以驗證。其中壽命疲勞失效如表3所示。(c 二象限的導通時刻的G-T 1的觸發(fā)波形圖7測試波形和各象限導通后的波形(d T 2-T 1鍵串聯(lián)電容未觸發(fā)圖5觸發(fā)波形和測試波形(b T 2-T 1之間的未導通電流脈沖

15、(c T 2-T 1之間的導通電流脈沖波形(a T 2T 1之間的實際半波示意圖(b 一、三象限導通的G-T 1的觸發(fā)圖6實際負載的測試電路T 1-T 2間功率半波輸入電流(RMS 3.00A觸發(fā)電流0.15A 恒定T1/T2T2/T10.75V0.75V第5期5基于PSPICE的可控硅不同象限觸發(fā)的數值仿真5.1可控硅的觸發(fā)建模為了說明可控硅在觸發(fā)瞬態(tài)產生電壓階越的具體原因,更好地分析觸發(fā)機理和觸發(fā)機制,建立相應的可控硅模型,基于以下的試驗數據,進行雙向可控硅的器件的電路仿真工作,測量了實際器件的電路參數,如表4、圖9所示。在下面的仿真的數值電路中,將T1-G之間等效成2個反向并聯(lián)的二極管,

16、控制T1-G的觸發(fā)電流的方向,其它節(jié)點按照測量電阻大小結果線性接入,負載為小功率電路中的實際功率電阻。得到以下的電路仿真模型,分為1、2象限,測量在模擬電路的導通瞬間的T1-G之間的相對電位變化,此電路仿真的目的在于解釋在觸發(fā)瞬間產生的電壓的階越上升/下降的問題。5.2仿真結果與實驗結果的比較從一,二象限模擬的具體結果來看(如圖10所示,模型的導通時刻的電壓變化基本與試驗測量的結果保持一致。驗證了雙向可控硅建模的正確性,說明其中所產生電壓的變化實際上是由于T1-G之間和T1-T2之間在電流平衡過程中的重新分配的結果。6結束語雖然可控硅有很多優(yōu)點,但是相對來說它承受過電壓和過電流的能力較差,較短

17、時間的過電壓和過電流就會使器件損壞。為保護可控硅能長期可靠地運行,除充分留有余地、合理選擇可控硅外,還必須針對過電壓和過電流發(fā)生的原因采取適當的保護措施,郭偉等:雙向可控硅不同象限觸發(fā)方式可靠性探究圖8T1-G出現的擊穿現象表3各象限在大電流下失效的失效時間和失效表象觸發(fā)象限123失效時間(t/min15-203-415左右失效模式T1-G擊穿成阻性T1-T2擊穿成阻性T1-G擊穿成阻性表4可控硅的電路模型參數可控硅型號電容*(C/pF導通電阻(R1/T2-G間導通電阻(R2/dV/dt(max估計觸發(fā)電流(I/mAdi/dt(maxMAC97A820 1.65-30V/s0.650A/s T

18、830W1200.0420300V/s3650A/s SM2LZ47200.67270500V/s1050A/s (注:非導通狀態(tài)下的電容采用LCR表在測出(在1圖9雙向可控硅的pspice仿真模型T2T1G(a一象限仿真模型與結果(100mV/divD31R30.04R520V1T1R4D22V255VdcGR81000.71V0.81V(b二象限仿真模型與結果(200mV/div圖10可控硅不同象限的觸發(fā)原理和數值仿真1R30.04R420V3T1D22V25VdcGR81000.72V0.17VR55D310M的頻率下,T1-T2間的導通電阻由SPEC給出,同時可以在測量中得到。T2-G

19、之間的電阻由PSPICE電路近似地由測量值估算。電子產品可靠性與環(huán)境試驗 2008 年 這樣就設計到了可控硅外圍電路的具體設計以及象限 的選擇。 從上面所進行的研究中， 我們發(fā)現， 對于雙 向可控硅來說， 在不同的象限有具體的觸發(fā)電壓、 電 流以及在觸發(fā)時刻所產生的觸發(fā)脈沖， 并有一定的差 異， 進而在實際的電路中， 對工作象限的選擇就存在 一定的差異。 可以得到如下結論： 電出版社， 2004. 3 艾斌 . 雙向可控硅的觸發(fā) J . 達縣師范高等專科學校學 報， 2000 ， 10 （2 ）： 39-39. 4 李 樹 良 ， 趙 善 麒 . 雙 向 晶 閘 管 通 態(tài) 電 壓 特 性 曲

20、 線 分 析 J . 半導體技術， 2000 ， 25 （1 ）： 29-30. 6 孔學東， 恩云飛. 電子元器件失效分析與典型案例 M . 北京： 國防工業(yè)出版社， 2006. 7 RAONIC D M. TRIACS Self-Supplied Gate Driver for Medium-Volta Application with Capacitor as Storage Element J . IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS ， 2000 ， 36 （1 ）： 212-216. 8 HU Ai-jun， SHEN Fei， PH

21、 D， et al. Professor ， ZeroCross Triggering Technology of SeriesTRIACSs with Optical Fiber at Medium Voltage:Application for Thyristor Switched Capacitor C /2005 IEEE/PES Transmission and DistributionConference & Exhibition: Asia and Pacific Dalian ， China ， 1-5. 9 WONG S C， LIN H C. A INPROVED

22、MODEL FOR TRIACS TRIAC C /Electrical Etrgincvriiig Drpartinent Universi ty of Mariland College Park ， Mariland ， 629-632. 10 DAVIS R M ， DOWNING B R. Zero-voltage Detection in Thyristor and Triac Convertors J . ELECTRONICS LETTERS ， 1973 ， 9 （12 ）： 267-268. 11 LAWRENCE J. GIACOLETTO ， Simple TRIACS

23、and TRIAC PSPICE Computer Models J . IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS ， 1989 ， 36 （3 ）： 451-455. a） 雙向可控硅在 1、 3 象限的觸發(fā)電流較第二 象限要小， 且平穩(wěn)性要高。 b） 應取消不必要的恒定電流觸發(fā)設計而改用 脈沖電流觸發(fā)設計， 以有效地減少器件的累計受載 時間。 c） 2 象限觸發(fā)會伴隨有正反向 電 流 脈 沖 ， 這 與實際電路當中測量到的結果一致。 這一結果表 明： 實際電路中控制端所發(fā)現的電壓電流脈沖與主 干道的交變電流沒有直接的聯(lián)系， 其本質原因是由 于交

24、變電流帶來的觸發(fā)象限的變化所致。 d） 2 象限觸發(fā)在理論上必然要伴隨 T2-G 之間 以及 T2-T1 之間電流的重新分配， 從而導致控制端 的正反向電壓電流脈沖， 這一理論解釋通過數值仿 真得以驗證。 e） 在觸發(fā)所需的脈寬條件上的實驗結果顯示： 象 限 觸 發(fā) 所 需 要 的 電 流 脈 沖 時 間 最 短 ， 而 2、 3 1 象限在觸發(fā)脈寬上沒有明顯的差別。 參考文獻： 1 第 一 機 械 工 業(yè) 部 情 報 所 . 大 功 率 可 控 硅 元 件 制 造 文 集 M . 北京： 機械工業(yè)出版社， 1973. 2 黃 繼 昌 . 電 子 元 器 件 應 用 手 冊 M . 北 京 ： 北 京 人 民 郵 12 Jr. Nick Holonyak. The Silicon p-n-p-n Switch and Controlled Rectifier （thyristor ） J . IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS ， 2001 ， 16 （1