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(jìn)解決方案
從上個(gè)世紀(jì) 70 年代開(kāi)始，雙向可控硅（又稱三端雙向晶閘管）一直用于控制交流負(fù)載，幾乎在所有電器上都能看到雙向可控硅。當(dāng)終端設(shè)備上的電壓上升速率過(guò)快時(shí)，雙向可控硅將會(huì)自動(dòng)觸發(fā)，從那時(shí)起，設(shè)計(jì)人員就必須面對(duì)雙向可控硅的這個(gè)特性。當(dāng)設(shè)計(jì)對(duì)電壓快速瞬變有要求的電器時(shí)，必須考慮這個(gè)問(wèn)題。
半導(dǎo)體易受到 dV/dt 變化速率的影響
功率半導(dǎo)體器件由多個(gè)半導(dǎo)體層組成。例如，雙向可控硅是四層結(jié)構(gòu)交流開(kāi)關(guān)元件，每層是半個(gè)祼片，每層通過(guò)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(gè)單向可控硅。因此，雙向可控硅相當(dāng)于兩個(gè)反極性并聯(lián)的單向可控硅(圖 1)。
每個(gè) PN 結(jié)都會(huì)產(chǎn)生寄生電容，當(dāng)施加斜坡電壓時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電容電流(ICAP)。電容電流可能會(huì)向 IGBT 或功率 MOSFET 等電壓控制型半導(dǎo)體的柵極電容充電。如果電容電壓持續(xù)升高，超過(guò)閾壓(VGS(th)或 VGE(th))，器件可能會(huì)導(dǎo)通。即使不足以觸發(fā)器件，器件也可能進(jìn)入飽和模式(如果是 MOSFET)或線性模式(如果是 IGBT)，導(dǎo)致功率損耗過(guò)大和器件失效。為避免這個(gè)問(wèn)題，柵極必須通過(guò)低阻抗以源極或發(fā)射極為參考點(diǎn)。
圖 1:a)雙向可控硅結(jié)構(gòu)易受 dV/dt 上升率影響 b) dV/dt 上升率引起導(dǎo)通示例圖
如果 dV/dt(以 A1 端為參考點(diǎn))為正值，則電流 ICAP 經(jīng) P1-N1 結(jié)流至 A1；如果 dV/dt 為負(fù)值，則電流 ICAP 經(jīng) P2-N3 結(jié)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(jié)閾壓(即 0.6 V)，該電容電流就可能導(dǎo)致雙向可控硅導(dǎo)通。
在雙向可控硅產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)中，廠商給出相關(guān)器件在導(dǎo)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(gè)數(shù)值，雙向可控硅可能就會(huì)導(dǎo)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(dǎo)通不會(huì)損壞雙向可控硅。因?yàn)楫?dāng)雙向可控硅導(dǎo)通時(shí)，電流會(huì)受到負(fù)載阻抗限制，所以大多數(shù)情況下不會(huì)損壞雙向可控硅。
改進(jìn)雙向可控硅的 dV/dt 特性
為避免當(dāng)雙向可控硅輸入端上電壓變化速率過(guò)快而引起的導(dǎo)通問(wèn)題，傳統(tǒng)解決方案是給雙向可控硅并聯(lián)一個(gè)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(gè)大型電容，以耐受高達(dá) 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(gè)電阻器(圖 1 中的 RG )。如圖 1 所示，這個(gè)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(jié)分流(見(jiàn)藍(lán)色虛線 ICAP)，防止開(kāi)關(guān)被觸發(fā)。對(duì)于負(fù)電壓 dV/dt 情況，電容電流(圖 1a 中的紅色虛線)流向 P2-N3 結(jié)。外部器件無(wú)法分流這部分電流，因而無(wú)法改進(jìn)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(gè)問(wèn)題，雖然這個(gè)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?yàn)殡p向可控硅導(dǎo)通時(shí) dI/dt 速率很高，這個(gè)電容可能會(huì)在雙向可控硅柵極上產(chǎn)生過(guò)流，導(dǎo)致器件損毀。
為防范這種風(fēng)險(xiǎn)，可以給該電容串聯(lián)一個(gè)電阻(圖 2a 中的 RG 和 CG)，這樣做的好處是使用一個(gè)低阻值的 RG，同時(shí)避免了從控制電路分流過(guò)高的電流，因?yàn)橹灰潆?，CG 相當(dāng)于開(kāi)路。
柵極阻容濾波器有益于提高應(yīng)用抗干擾能力
家電電器必須達(dá)到電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)的最低要求。因?yàn)殡p向可控硅通過(guò)負(fù)載直接連接市電，這類電器對(duì) IEC61000-4-4 標(biāo)準(zhǔn)中的電快速瞬變(EFT)實(shí)驗(yàn)所用瞬變事件特別敏感。
IEC61000-4-4 實(shí)驗(yàn)條件包括耦合到市電網(wǎng)絡(luò)的 5 kHz 或 100 kHz 電壓脈沖串。因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)是在整個(gè)被測(cè)電器上進(jìn)行，所以微控制器也可能受到電磁干擾。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中只評(píng)測(cè)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(cè)試配置
輸入變阻器用于鉗制電壓，防止擊穿導(dǎo)致雙向可控硅導(dǎo)通。假如沒(méi)有輸入變阻器，只要施加 1 kV 峰壓，任何雙向可控硅都會(huì)導(dǎo)通。我們使用一個(gè)白熾燈作為負(fù)載，以便于觀察雙向可控硅何時(shí)導(dǎo)通。例如，我們測(cè)試了幾款意法半導(dǎo)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(duì) EFT(電快速瞬變)噪聲敏感。通過(guò)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(méi)有這個(gè)柵極電路，連 1 kV 的脈沖都承受不住。RG2 對(duì)應(yīng)微控制器輸出引腳的內(nèi)部 RDS(ON)電阻，無(wú)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(duì) 3.3 kV 典型值)。柵極電路只用一個(gè) 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(guò)，意法半導(dǎo)體 T 系列產(chǎn)品本身的負(fù)電壓 dV/dt 性能非常優(yōu)異，同時(shí)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(luò)進(jìn)入到控制電路的噪聲。
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