Тиристоры и симисторы

Подборки из сети

В этой статье мы рассмотрим несколько правил применения тиристоров и симисторов при проектировании устройств управления мощностью.

Тиристор
Тиристор - управляемый диод, в котором управление током от анода к катоду происходит за счет малого тока управляющего электрода (затвора).

Вольтамперная характеристика тиристора показана на Рис. 2.

Открытое состояние тиристора.
Тиристор переходит в открытое состояние при подаче положительного смещения на затвор относительно катода. При достижении порогового значения напряжения затвора V_GT (ток через затвор имеет значение I_GT), тиристор переходит в открытое состояние. Для стабильного перехода в открытое состояние при коротком управляющем импульсе (менее 1 мкс), пиковое значение порогового напряжения необходимо увеличить.
После достижения тока нагрузки значения I_L, тиристор будет оставаться в открытом состоянии, при отсутствии тока затвора.
Необходимо отметить, что значения параметров V_GT, I_GT и I_L указаны в спецификации для температуры перехода 25°C. Эти значения возрастают при понижении температуры. Поэтому внешние цепи тиристора должны рассчитываться для поддержания необходимых амплитуд V_GT, I_GT и I_L при минимальной ожидаемой рабочей температуре.

1. Рабочая температура перехода должна быть меньше значения T_jmax.
2. Использовать тиристоры с меньшей чувствительностью, такие как BT151, или уменьшить чувствительность имеющегося тиристора включением резистора номиналом 1КОм или менее между затвором и катодом.
3. При невозможности использования менее чувствительного тиристора, необходимо приложить небольшое обратное смещение к затвору в фазе закрытого состояния тиристора для увеличения I_L. В фазе отрицательного тока затвора необходимо уделить внимание уменьшению мощности рассеивания затвора.

Коммутация тиристора.
Для перехода тиристора в закрытое состояние ток нагрузки должен снизится ниже значения тока удержания I_H на время, позволяющее всем свободным носителям заряда освободить переход. В цепях постоянного тока это достигается тем, что цепь нагрузки уменьшает ток до нуля, чтобы дать возможность тиристору выключиться. В цепях переменного тока цепь нагрузки уменьшает ток в конце каждой полуволны. В этой точке тиристор переходит в закрытое состояние.
Тиристор может перейти в состояние проводимости, если ток нагрузки не будет удерживаться ниже I_H достаточное время.
Обратите внимание, что значение I_H указывается для температуры перехода 25°C и, подобно I_L, оно уменьшается при повышении температуры. Поэтому, для успешной коммутации, цепь должна позволять уменьшаться току нагрузки ниже I_H достаточное время при максимальной ожидаемой рабочей температуре перехода.

Триак (симистор)
Триак представляет собой "двунаправленный тиристор". Особенностью триака является способностью проводить ток как от анода к катоду, так и в обратном направлении.

Состояние проводимости.
В отличие от тиристоров, триак может управляться как положительным, так и отрицательным током между затвором и T1. (Правила для V_GT, I_GT и I_L те же, что для тиристоров См. Правило 1.) Это свойство позволяет триаку работать во всех четырёх секторах, как показано в рис. 4.

Когда затвор управляется постоянным током или однополярными импульсами с нулевым значением тока нагрузки, в квадрантах (3+,3-) предпочтителен отрицательный ток затвора по нижеследующим причинам.
(Внутреннему строению переходов триака характерно то, что затвор наиболее отдален от области основной проводимости в квадранте 3+ )

1. При более высоком значении I_GT требуется более высокий пиковый I_G.
2. При более длинной задержке между I_G и током нагрузки требуется большая продолжительность I_G.
3. Низкое значение dI_T/dt может вызывать перегорание затвора при управлении нагрузками, создающими высокий dI/dt (включение холодной лампы накаливания, ёмкостные нагрузки),
4. Чем выше I_L (это относится и к квадранту 1-), тем большая продолжительность I_G будет необходима для малых нагрузок, что позволит току нагрузки с начала полупериода достичь значения выше I_L.

В стандартных цепях управления фазой переменного тока, таких как регуляторы яркости и регуляторы скорости вращения, полярность затвора и T2 всегда одинаковы. Это означает, что управление производится всегда в 1+ и 3- квадрантах, в которых коммутирующие параметры триака одинаковы, а затвор наиболее чувствителен.
Примечание: 1+, 1-, 3- и 3+ это система обозначений четырех квадрантов, использующаяся для краткости: вместо того, чтобы записать "MT2+, G+" пишется 1+, и т.д. Эти данные получены из графика вольтамперной характеристики триака. Положительному напряжению T2 соответствует положительное значение тока через T2, и наоборот (см. Рис. 5).

Следовательно, управление осуществляется только в квадрантах 1 и 3. А указатели (+) и (-) относятся к направлению тока затвора.

Ложные срабатывания триака.
В ряде случаев возможны нежелательные случаи включения триаков. Некоторые из них не приведут к серьёзным последствиям, в то время как другие потенциально разрушительны.

(а) Уменьшение шумовых сигналов затвора.
В электрически шумных окружающих средах ложное срабатывание может происходить, если шумовое напряжение на затворе превышает V_GT ,поэтому тока затвора достаточно для включения триака. Первый способ защиты - минимизировать возникающий шум. Лучше всего это может быть достигнуто уменьшением длины проводников ведущих к затвору и соединением цепи управления затвором непосредственно с выводом T1 (или катодом для тиристора). В случае если это невозможно следует использовать витую пару или экранированный кабель.
Дополнительную шумовую устойчивость можно обеспечить, уменьшив чувствительность затвора с помощью включения резистора до 1Ком между затвором и T1. Если в качестве высокочастотного шунта используется конденсатор, желательно включить последовательно резистор между ним и затвором, чтобы уменьшить пик тока конденсатора через затвор и минимизировать возможность повреждения затвора от перегрузки.
В качестве решения этих проблем можно использовать триаки ряда "H" (например BT139-600H). Этот нечувствительный ряд (I_GT min =10mA) специально разработан для обеспечения высокой шумовой устойчивости.

(b) Превышение максимального значения скорости нарастания напряжения коммутации dV_COM/dt.
Этот эффект может возникнуть при питании реактивных нагрузок, где есть существенный сдвиг фазы между напряжением и током нагрузки. При выключении триака в то время, когда фаза тока нагрузки проходит через ноль, напряжение не будет нулевым из-за сдвига по фазе (см. рис.6).

Если при этом скорость изменения напряжения превысит допустимое значение dV_COM/dt, триак может остаться в состоянии проводимости. Это происходит из-за того, что носителям заряда не хватает времени, чтобы освободить переход.
На параметр dV_COM/dt влияют два условия:

1. Скорость спадания тока нагрузки при переключении, dI_COM/dt. Высокое значение dI_COM/dt снижает значение dV_COM/dt.
2. Температура перехода T_j. Чем выше T_j, тем ниже значение dV_COM/dt.

(c) Превышение максимального значения скорости нарастания тока коммутации dI_COM/dt.
Высокое значение dI_COM/dt может быть вызвано повышенным током нагрузки, повышенной рабочей частотой (синусоидального тока) или несинусоидальным током нагрузки.
Известный пример такого - выпрямитель питания для индуктивных нагрузок, где применение стандартных триаков невозможно из-за того, что напряжение питания оказывается ниже напряжения обратной электромагнитной индукции нагрузки и ток триака резко стремиться к нулю. Этот эффект проиллюстрирован на (рис. 7).

При нулевом токе триака, ток нагрузки будет спадать через мостовой выпрямитель. При индуктивных нагрузках возможно такое высокое значение dI_COM/dt, при котором триак не может поддерживать даже небольшого значения dV/dt 50Hz синусоиды при прохождении нуля. В этом случае не будет эффекта от добавления демпфера. Решение проблемы в том, что значение dI_COM/dt может быть ограничено добавлением дросселя, последовательно с нагрузкой.

Альтернативное решение - использование Hi-Com триаков.

(d) Превышение максимального значения скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии dV_D/dt
Высокая скорость изменения напряжения на силовых электродах непроводящего триака (или тиристора с чувствительным затвором) без превышения его V_DRM (см. рис. 8), вызывает внутренние ёмкостные токи. При этом внутреннего тока затвора может быть достаточно, чтобы перевести триак (тиристор) в состояние проводимости. Чувствительность к этому параметру увеличивается с ростом температуры.

Там где возникает эта проблема, значение dV_D/dt должно быть ограничено RC демпфером между T1 и T2 для триака (или Анодом и Катодом для тиристора).
Использование Hi-Com триаков в таких случаях может снять эти проблемы.

(e) Превышение повторяющегося пикового напряжения в закрытом состоянии V_DRM
Если напряжение на T2 превышает V_DRM (это может происходить во время переходных процессов), то ток утечки T2-T1 достигнет значения, при котором триак может спонтанно перейти в состояние проводимости (см. рис. 9)
При нагрузке, допускающей выбросы тока, ток чрезвычайно высокой плотности может проходить через узкую открытую область перехода. Это может привести к выгоранию перехода и разрушению кристалла. Это может происходить в схемах управления лампами накаливания, емкостных нагрузках и схемах защиты мощных электронных ключей.

Превышение V_DRM или dV_D/dt не всегда приводит к потере работоспособности триака, а вот создаваемая dI_T/dt скорость нарастания тока It может привести к выходу из строя прибора. Из-за того, что требуется некоторое время для распространения проводимости по всему переходу, допустимое значение dI_T/dt ниже чем, если бы триак был включен сигналом затвора. Если значение dI_T/dt не будет превышать минимального значения, которое даётся в его характеристиках, то, скорее всего, триак не выйдет из строя. Эта проблема может быть решена, подключением не насыщающейся индуктивности (без сердечника), последовательно с нагрузкой. Если это решение неприемлемо, то альтернативное решение может быть в том, чтобы обеспечить дополнительную фильтрацию и ограничение выбросов. Это повлечёт использование, параллельно питанию, Метал-Оксидного Варистора (МОВ) для ограничения напряжения и последовательное подключение LС цепочки перед варистором.
Некоторые изготовители выражают сомнения в надежности схем с использованием MOB, так как они при высоких температурах окружающей среды входят в тепловой пробой и выходят из строя. Это является следствием того, что рабочее напряжение МОВ обладает обратным температурным коэффициентом. Однако, при применении МОВ на 275В (среднеквадратичное значение) для 230В цепей, риск перегорания МОВ минимален. Такие проблемы вероятны, если варистор на 250В используется при высокой температуре окружающей среды в цепях со среднеквадратичным значением 230В.

Состояние проводимости, dI_T/dt
Когда триак(тиристор) находятся в состоянии проводимости под действием сигнала затвора, проводимость начинается в участке кристалла смежным к затвору, и затем быстро распространяясь на активную область. Эта задержка накладывает ограничение на значение допустимой скорости нарастания тока нагрузки. Высокое значение dI_T/dt может быть причиной выгорания прибора, в результате чего произойдёт короткое замыкание между T1 и T2.
При работе в 3+ квадранте, ещё больше снижается разрешенное значение dI_T/dt из-за структуры перехода. Это может привести к мгновенному лавинному процессу в затворе и перегоранию во время быстрого нарастания тока. Разрушение триака может произойти не сразу, а при постепенном выгорании перехода Затвор-T1, что приведёт к короткому замыканию после нескольких включений. Чувствительные триаки наиболее подвержены этому. Эти проблемы не относятся к Hi-Com триакам, так как они не работают в 3+ квадранте.
Значение dI_T/dt связано со скоростью нарастания тока затвора(dI_G/dt) и максимальным значением I_G. Высокие значения dI_G/dt и пикового I_G (без превышения номинальные мощности затвора) дают более высокое значение dI_T/dt.

Отключение Триаки использующиеся в цепях переменного тока коммутируются в конце каждого полупериода тока нагрузки, если не приложен сигнал затвора, чтобы поддержать проводимость с начала следующего полупериода. Правила для I_H те же что для тиристора. См. Правило 2.

Некоторые особенности Hi-Com триаков
Hi-Com триаки имеют отличную от обычных триаков внутреннюю. Одно из отличий состоит в том, что две половины тиристора лучше изолированы друг от друга, что уменьшает их взаимное влияние. Это дает следующие преимущества:

1. Увеличение допустимого значения dV_COM/dt. Это позволяет управлять реактивными нагрузками (в большинстве случаев) без необходимости в демпфирующем устройстве, без сбоев в коммутации. Это сокращает количество элементов, размер печатной платы, стоимость, и устраняет потери на рассеивание энергии демпфирующим устройством.
2. Увеличение допустимого значения dI_COM/dt. Это значительно улучшает работу на более высоких частотах и для несинусоидальных напряжений без необходимости в ограничении dI_COM/dt при помощи индуктивности последовательно с нагрузкой.
3. Увеличение допустимого значения dV_D/dt. Триаки очень чувствительны при высоких рабочих температурах. Высокое значение dV_D/dt уменьшает тенденцию к самопроизвольному включению из состояния отсутствия проводимости за счёт dV/dt при высоких температурах. Это позволяет применять их при высоких температурах для управления резистивными нагрузками в кухонных или нагревательных приборах, где обычные триаки не могут использоваться.

Способы монтажа триаков.
При малых нагрузках или коротких импульсных токах нагрузки (меньше чем 1 секунда), можно использовать триак без теплоотводящего радиатора. Во всех остальных случаях его применение необходимо.
Существует три основных метода фиксации триака к теплоотводу - крепление зажимом, крепление винтом и клёпка. Наиболее распространены первые два способа. Клёпка - в большинстве случаев не рекомендуется, так как может вызвать повреждение или деформацию кристалла , что приведёт к выходу прибора из строя.

Фиксация к теплоотводу зажимом.
Это - предпочтительный метод с минимальным тепловым сопротивлением, так как зажим достаточно плотно прижимает корпус прибора к радиатору. Это одинаково подходит как для неизолированных (SOT82 и SOT78), так и для изолированных корпусов (SOT186 F-корпус и более ранних SOT186A X-корпус).
Примечание: SOT78 известен как TO220AB.

Фиксация к теплоотводу при помощи винта

1. Набор для монтажа корпуса SOT78 включает прямоугольную шайбу, которая должна быть установлена между головкой винта и контактом, без усилий на пластиковый корпус прибора.
2. Во время установки наконечник отвертки не должен воздействовать на пластиковый корпус триака (тиристора).
3. Поверхность теплоотвода в месте контакта с электродом должна быть обработана с чистотой до 0.02mm.
4. Крутящий момент (с установкой шайбы) должен быть между 0.55Nm- 0.8Nm.
5. По возможности следует избегать использования винтов-саморезов, так как это снижает термоконтакт между теплоотводом и прибором.
6. Прибор должен быть механически зафиксирован перед пайкой выводов. Это минимизирует чрезмерную нагрузку на выводы.

Тепловое сопротивление
Тепловое сопротивление R_th - это сопротивление между корпусом прибора и радиатором. Этот параметр аналогичен электрическому сопротивлению R = V/I, поэтому тепловое сопротивление R_th = T(K)/P(W), где T - температура в Кельвинах, и P-рассеяние энергии в ваттах.

Для прибора, установленного вертикально без радиатора, тепловое сопротивление задаётся тепловым сопротивлением переход-окружающая среда R_th =R_{th j-a}.
-Для корпуса SOT82 значение равно 100 K/W;
-Для корпуса SOT78 значение равно 60K/W; -Для корпусов F и X значение равно 55K/W .

Для не изолированных приборов, установленных на теплоотвод, тепловое сопротивление является суммой сопротивлений переход-корпус, корпус-теплоотвод и теплоотвод-окружающая среда.

R_{th j-a} = R_{th j-mb} + R_{th mb-h} + R_{th h-a}
(не изолированный корпус).

Для изолированных корпусов нет ссылки на термосопротивление R_{th j-mb} ,так как R_{th mb-h} принят постоянным и дан с учётом использования термопасты. Поэтому, тепловое сопротивление для изолированного корпуса является суммой тепловых сопротивлений переход-теплоотвод и теплоотвод-окружающая среда.

R_{th j-a} = R_{th j-h} + R_{th h-a}
(изолированный корпус).

R_{th j-mb} или R_{th j-h} фиксированы и даны в документации к каждому прибору.
R_{th mb-h} также даются в инструкциях по установке для некоторых вариантов изолированного и неизолированного монтажа, с использованием или без использования термопасты.
R_{th h-a} регулируется размером теплоотвода и степенью воздушного потока через него.
Для улучшения теплоотдачи всегда рекомендуется использование термопасты.

Расчет теплового сопротивления
Для вычисления теплового сопротивления теплоотвода для данного триака (тиристора) и данного тока нагрузки, мы должны сначала вычислить рассеяние энергии в триаке (тиристоре), используя следующее уравнение:

P = V_o * I_{T (AV)} + R_s * I_T(RMS)²

V_o и R_s получены из "on-state" характеристики триака (тиристора). Если значения не указанны, то они могут быть получены из графика путём вычерчивания касательной к V_T max. Точка на оси V_T, где её пересекает касательная, даёт V_o, в то время как тангенс угла наклона касательной дает Rs. Используя уравнение теплового сопротивления, данное выше, получаем: R_{th j-a} = T/P. Максимально допустимая температура перехода будет, когда T_j достигает T_j max при самой высокой температуре окружающей среды. Это дает нам T.

Полное тепловое сопротивление
Все расчёты по вычислению теплового сопротивления имеет смысл проводить для уже установившегося режима продолжительностью больше чем 1 секунда. Для импульсных токов или длительных переходных процессов меньше чем 1 секунда эффект отвода тепла уменьшается. Температура просто рассеивается в объеме прибора с очень небольшим достижением теплоотвода. В таких условиях, нагрев перехода зависит от полного теплового сопротивления переход-корпус прибора Z_{th j-mb}.
Поэтому Z_{th j-mb} уменьшается при уменьшении продолжительности импульса тока благодаря меньшему нагреву кристалла. При увеличении продолжительности до 1 секунды, Z_{th j-mb} увеличивается до значения соответствующего установившемуся режиму R_{th j-mb}.
Характеристика Z_{th j-mb} приводится в документации для двунаправленного и однонаправленного электрического тока импульсами продолжительностью до 10 секунд.

Номенклатура и корпуса
Промышленный ряд тиристоров Philips начинается с 0.8A в SOT54 (TO92) и заканчивается 25A в SOT78 (TO220AB).
Промышленный ряд триаков (симисторов) Philips начинается с 0.8A в SOT223 и заканчивается 25A в SOT78.
Самый маленький корпус триака (тиристора) для поверхностного монтажа SOT223 (рис. 11). Мощность рассеивания зависит от степени рассеивания тепла печатной платой, на которую устанавливается прибор.
Тот же кристалл устанавливается в неизолированный корпус SOT82 (рис. 13). Улучшенная теплоотдача этого корпуса, позволяет использовать его при более высоких номинальных токах и большей мощности.
На (рис. 12) показан наименьший корпус для обычного монтажа SOT54. В этот корпус ставиться кристалл, которым оснащаются SOT223.
SOT78 самый широко распространенный неизолированный корпус, большинство устройств для бытовой техники производится с использованием этого корпуса (рис. 14).
На (рис. 15) показан SOT186 (F-корпус). Этот корпус допускает в обычных условиях разность потенциалов 1,500V между прибором и теплоотводом.
Один из последних - корпус SOT186A (X-корпус), показанный на рис. 16. Он обладает несколькими преимуществами перед предыдущими типам:

1. Корпус имеет те же размеры, как корпус SOT78 в зазорах выводов и монтажной поверхности, поэтому он может непосредственно заменять SOT78, без изменений в монтаже.
2. Корпус допускает в обычных условиях разность потенциалов 2,500V между прибором и теплоотводом.

10 ПРАВИЛ

Правило 1. Для того чтобы тиристор (триак) перевести в открытое состояние: ток затвора Е I_GT необходимо подавать до достижения тока нагрузки Е I_L. Эти условия должны выполняться при минимальной ожидаемой рабочей температуре перехода.

Правило 2. Для переключения тиристора (или триака), ток нагрузки должен быть < I_H в течение достаточного времени позволяющего вернуться к состоянию отсутствия проводимости. Это условие должно быть выполнено при самой высокой ожидаемой рабочей температуре перехода.

Правило 3. При проектировании необходимо избегать включения триака в 3+ квадранте (MT2-, G +).

Правило 4. Для минимизации шумового срабатывания следует свести к минимуму длину проводников к затвору. Подключить общий провод непосредственно к T1 (или катоду). Желательно использовать витую пару или экранированный кабель. Можно поставить резистор до 1Ком между затвором и T1, или шунтировать затвор конденсатором и соединённым с ним последовательно резистором.
Один из вариантов - использование нечувствительных триаков ряда "H".

Правило 5. Если есть вероятность превышения значения dV_D/dt или dV_COM/dt, необходимо включить RC демпфер между T1 и T2. Если есть вероятность превышения значения dI_COM/dt, необходимо включить последовательно с нагрузкой катушку индуктивности в несколько mH.
Альтернатива - использование HI-Com триаков.

Правило 6. Если есть вероятность превышения V_DRM триака во время переходных процессов, необходимо принять следующие меры:
Ограничить высокий dI_T/dt не насыщаемой катушкой индуктивности на несколько mH последовательно с нагрузкой;
Использовать MOB параллельно питанию в комбинации с фильтром к источнику питания.

Правило 7. Продуманная схема управления затвором и отказ от работы в квадранте 3+ увеличивает значение dI_T/dt.

Правило 8. Если есть вероятность превышения значения dI_T/dt необходимо установить последовательно с нагрузкой индуктивность в несколько mH или терморезистор с обратным температурным коэффициентом.
Для резистивных нагрузок можно использовать режим включения при нулевой разности потенциалов.

Правило 9. При монтаже триака (тиристора) необходимо избегать приложения чрезмерных механических усилий. Перед пайкой необходимо закрепить прибор одним из трёх выше перечисленных способов. Особое внимание необходимо уделить плотности прилегания корпуса прибора к радиатору.

Правило 10. Для надёжной работы прибора, необходимое значение R_{th j-a} должно быть достаточно низко, чтобы держать температуру перехода в пределах T_j max при самой высокой ожидаемой температуре окружающей среды.

В ОГЛАВЛЕНИЕ