雙向可控硅噪聲抑制的基本原理和新的低成本的dV/dt性能改進解決方案

• 來源：宇芯電子 更新時間：2021-06-04 10:04:05點擊：6次

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  雙向可控硅噪聲抑制的基本原理和新的低成本的dV/dt性能改進解決方案

  
  

  
  

  從上個世紀 70 年代開始，雙向可控硅（又稱三端雙向晶閘管）一直用于控制交流負載，幾乎在所有電器上都能看到雙向可控硅。當終端設備上的電壓上升速率過快時，雙向可控硅將會自動觸發(fā)，從那時起，設計人員就必須面對雙向可控硅的這個特性。當設計對電壓快速瞬變有要求的電器時，必須考慮這個問題。

   

   

  半導體易受到 dV/dt 變化速率的影響

   

  功率半導體器件由多個半導體層組成。例如，雙向可控硅是四層結構交流開關元件，每層是半個祼片，每層通過交替摻雜方法控制空穴濃度（P 區(qū)）或自由電子濃度(N 區(qū))，形成兩個單向可控硅。因此，雙向可控硅相當于兩個反極性并聯(lián)的單向可控硅(圖 1)。

   

  每個 PN 結都會產(chǎn)生寄生電容，當施加斜坡電壓時，就會產(chǎn)生電容電流(ICAP)。電容電流可能會向 IGBT 或功率 MOSFET 等電壓控制型半導體的柵極電容充電。如果電容電壓持續(xù)升高，超過閾壓(VGS(th)或 VGE(th))，器件可能會導通。即使不足以觸發(fā)器件，器件也可能進入飽和模式(如果是 MOSFET)或線性模式(如果是 IGBT)，導致功率損耗過大和器件失效。為避免這個問題，柵極必須通過低阻抗以源極或發(fā)射極為參考點。

  
  

  

  圖 1:a)雙向可控硅結構易受 dV/dt 上升率影響 b) dV/dt 上升率引起導通示例圖

   

  如果 dV/dt(以 A1 端為參考點)為正值，則電流 ICAP 經(jīng) P1-N1 結流至 A1；如果 dV/dt 為負值，則電流 ICAP 經(jīng) P2-N3 結流至 A2(如圖 1 所示)。假如 P1 或 P2 層電壓分別高于 P1-N2 或 P2-N3 結閾壓(即 0.6 V)，該電容電流就可能導致雙向可控硅導通。

   

  在雙向可控硅產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中，廠商給出相關器件在導通前能夠承受的最小的 dV/dt 上升速率。如果電壓上升速率高于這個數(shù)值，雙向可控硅可能就會導通，如圖 1b 所示。只要施加的電流小于器件最大輸入電流，dV/dt 引起的導通不會損壞雙向可控硅。因為當雙向可控硅導通時，電流會受到負載阻抗限制，所以大多數(shù)情況下不會損壞雙向可控硅。

   

   

  改進雙向可控硅的 dV/dt 特性

   

  為避免當雙向可控硅輸入端上電壓變化速率過快而引起的導通問題，傳統(tǒng)解決方案是給雙向可控硅并聯(lián)一個阻容緩沖電路，抑制市電的 dV/dt 變化速率。但是，這些電路需要一個大型電容，以耐受高達 400V 的峰壓(連接 220-240V 市電)。

   

  第二種解決方案是在柵極和陰極之間增加阻抗，即增加一個電阻器(圖 1 中的 RG )。如圖 1 所示，這個解決方案只適用于正電壓 dV/dt 變化的情況，寄生電容電流在 P1-N1 結分流(見藍色虛線 ICAP)，防止開關被觸發(fā)。對于負電壓 dV/dt 情況，電容電流(圖 1a 中的紅色虛線)流向 P2-N3 結。外部器件無法分流這部分電流，因而無法改進反向 dV/dt 抑制功能。

   

  用電容替代電阻(圖 1 中的 RG )也可以解決這個問題，雖然這個辦法在 SCR(可控硅整流管)中效果很好，但是不建議用于雙向可控硅，因為雙向可控硅導通時 dI/dt 速率很高，這個電容可能會在雙向可控硅柵極上產(chǎn)生過流，導致器件損毀。

   

  為防范這種風險，可以給該電容串聯(lián)一個電阻(圖 2a 中的 RG 和 CG)，這樣做的好處是使用一個低阻值的 RG，同時避免了從控制電路分流過高的電流，因為只要充電，CG 相當于開路。

   

   

  柵極阻容濾波器有益于提高應用抗干擾能力

   

  家電電器必須達到電磁兼容性標準的最低要求。因為雙向可控硅通過負載直接連接市電，這類電器對 IEC61000-4-4 標準中的電快速瞬變(EFT)實驗所用瞬變事件特別敏感。

   

  IEC61000-4-4 實驗條件包括耦合到市電網(wǎng)絡的 5 kHz 或 100 kHz 電壓脈沖串。因為該實驗是在整個被測電器上進行，所以微控制器也可能受到電磁干擾。我們在實驗中只評測雙向可控硅的抗擾度，所以將其柵極直接連至其參考電極，使雙向可控硅不受其它干擾的影響(圖 2)。

  
  

  

  圖 2：IEC61000-4-4 測試配置

   

   

  輸入變阻器用于鉗制電壓，防止擊穿導致雙向可控硅導通。假如沒有輸入變阻器，只要施加 1 kV 峰壓，任何雙向可控硅都會導通。我們使用一個白熾燈作為負載，以便于觀察雙向可控硅何時導通。例如，我們測試了幾款意法半導體的 T 系列產(chǎn)品(T610T-8FP, T810T-8FP, T1210T-8FP, T1610T-8FP)。每款產(chǎn)品的柵電流都是 10 mA，都對 EFT(電快速瞬變)噪聲敏感。通過圖 2 中的 RG-CG-RG2 電路，每款產(chǎn)品都能承受 3 kV 5 Khz 脈沖或 2 kV 100 Khz 脈沖。如果沒有這個柵極電路，連 1 kV 的脈沖都承受不住。RG2 對應微控制器輸出引腳的內(nèi)部 RDS(ON)電阻，無需增加外部電阻。

   

  與傳統(tǒng)緩沖電路(圖 2 中的 RS 和 CS)相比，柵極電路所能承受的電壓略高(3.6 kV 對 3.3 kV 典型值)。柵極電路只用一個 16V 的小電容器就取得了 400V 大電容器的抗擾性能。柵極電路與緩沖電路配合，讓只使用 10 mA 雙向可控硅的電器取得高于 6 kV 的 EFT 抗擾性能。柵極電路能夠讓所有的雙向可控硅受益，不過，意法半導體 T 系列產(chǎn)品本身的負電壓 dV/dt 性能非常優(yōu)異，同時再使用外部柵極電路提高正電壓 dV/dt 性能。

   

  總之，用柵極濾波器代替高壓緩沖器也可以降低電路板尺寸和成本，此外，還可以濾除從市電網(wǎng)絡進入到控制電路的噪聲。

  
  

  
  

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