三象限與四象限在產(chǎn)品性能上、應(yīng)用范圍上有何區(qū)別呢？

   家電中的電氣負(fù)載，例如馬達(dá)、閥門、燈管或者加熱器等等，都需要接通或切斷送給它的功率，有些則要求輸入功率能夠在一定范圍內(nèi)改變，使用雙向可控硅(TRIAC:Tri-electrode AC switch)的固態(tài)功率控制電路具有簡(jiǎn)單、可靠、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，在負(fù)載功率變化的家電中得到廣泛的應(yīng)用。但是用普通的Triac控制感性負(fù)載會(huì)出現(xiàn)不受控的情況，而新的三象限 Triac 解決了普通 Triac 使用時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題。

 用相位控制來(lái)改變功率

  家電中的馬達(dá)不論是分段調(diào)節(jié)或者是連續(xù)調(diào)節(jié)，大都采用串聯(lián)式交流馬達(dá)。可以用電子轉(zhuǎn)速控制電路來(lái)提高平均驅(qū)動(dòng)電壓，以維持較穩(wěn)定的輸出速度。對(duì)于要求成本低的系統(tǒng)，使用Triac的相位控制電路是個(gè)很好的方案。

  正確地設(shè)計(jì)相位控制電路、正確地選用Triac，就可以實(shí)現(xiàn)可靠、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的控制電路。圖1是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，其中只用了6個(gè)元件：一只Triac、兩個(gè)電阻器、一個(gè)電容器、用于觸發(fā)Triac的雙向觸發(fā)二極管(DIAC,DI-electrode AC switch)，以及用于設(shè)定觸發(fā)延遲時(shí)間的可變電阻器，圖中沒(méi)有為滿足EMC要求所需要的濾波元件。

  圖1中的100nF電容器通過(guò)固定與可變電阻器充電到二極交流開(kāi)關(guān)的擊穿電壓，大約為32V。加在Triac控制極上的電流脈沖觸發(fā)Triac使之在隨后的半個(gè)交流電周期中導(dǎo)通，在電源為正半周時(shí)，這個(gè)過(guò)程重復(fù)發(fā)生，圖中10kΩ的電阻器用來(lái)避免過(guò)高的電流流到100nF電容器而造成損壞，1MΩ的可變電阻器的作用是控制電容器的充電速度，從而改變觸發(fā)脈沖的相位角，控制負(fù)載上的平均功率。

  要確保正確地進(jìn)行觸發(fā)，在IGT處在最高電平的時(shí)間最少為10μs，這是由47Ω電阻器來(lái)做到的，它限制了振幅，同時(shí)延長(zhǎng)控制極上脈沖延續(xù)的時(shí)間，控制極電流脈沖的幅度至少要等于Triac 額定的IGT 最大值以確保正確地觸發(fā)。

  相位控制電路也廣泛地用于電燈的亮度調(diào)節(jié)。這個(gè)電路可以用于電阻性負(fù)載，也可以被用到電感性負(fù)載上。這兩種負(fù)載對(duì) Triac 的要求有很大的差別，因此必須針對(duì)不同的情況正確地選擇 Triac。圖2是負(fù)載為電阻性與電感性時(shí)的波形。

 對(duì) Triac 來(lái)說(shuō)，電阻性負(fù)載時(shí)容易控制的，因?yàn)椋?/span>

  1 、負(fù)載上電流的波形與輸入電壓的波形相同，因此 Triac 的換向時(shí)電流的變化速度 dI/dt 相當(dāng)和緩；

  2、電壓與電流波形相位相同，因此換向后的電壓上升變化(dV/dt)相當(dāng)和緩，理論上換向時(shí)電壓變化率 dV/dt為：

 對(duì)于230V的50Hz正弦波來(lái)說(shuō)，dV/dt 的數(shù)值僅0.1V/s。利用IRMS，這個(gè)公式也可以用來(lái)計(jì)算 dI/dt。然而，對(duì)于電感性負(fù)載，問(wèn)題就不這么簡(jiǎn)單：

  1、由于負(fù)載電流的波型與輸入電壓不同，而且電感性負(fù)載會(huì)抗拒電流的任何改變，因此上升緩慢，引起波峰出現(xiàn)時(shí)間延遲，但是回到 0 則很快，dI/dt 相當(dāng)高，結(jié)果，在它試圖回到阻斷狀態(tài)時(shí)，移動(dòng)載流子會(huì)越來(lái)越多地集中到 Triac 中的結(jié)上。如果集中程度很高的話，這些載流子就會(huì)流到 Triac 結(jié)，它起作用猶如控制極觸發(fā)電流，這是我們不想要的，它會(huì)在阻斷電壓升高時(shí)自動(dòng)地使 Triac 導(dǎo)通。在下面我們將會(huì)談到，某些需求很大的電路可能會(huì)產(chǎn)生很大的dI/dt，在需要阻斷上升速度為 0.1V/s 這么緩慢的 230V 50Hz 正弦波時(shí)，會(huì)妨礙 Triac 進(jìn)行換向。

  2、 在電壓波形與電流波形之間存在相移，電流在相位上落后于電壓，當(dāng)負(fù)載電流穿越 0、而且 Triac 換向時(shí)，它的阻斷電壓一定會(huì)迅速上升到電源電壓的電平，它只受到電路中的電容器與 Triac 結(jié)電容的限制。電壓變化率(dV/dt) 很高時(shí)，會(huì)使得剩下的移動(dòng)載流子集中到 Triac 結(jié)，形成我們并不需要的觸發(fā)電流。

  任何標(biāo)準(zhǔn)的 Triac 都能夠成功地控制電阻性負(fù)載。然而，在用標(biāo)準(zhǔn)的 Triac 來(lái)控制電感性負(fù)載時(shí)，如果要避免不受控的情況出現(xiàn)，就必須增加一些保護(hù)元件。這些元件是：跨接 Triac 的電源兩端的電阻器與電容器串聯(lián)的阻尼電路，它能夠限制電壓變化率 dV/dt；在負(fù)載上串聯(lián)一個(gè)幾豪亨的非飽和電感器，在 Triac 遇到問(wèn)題時(shí)它能夠限制電流變化率 dI/dt。

  這些額外的元件會(huì)增大體積，增加成本。在許多情況下它們甚至?xí)?/span> Triac 受到過(guò)大的電流沖擊，因而降低電路長(zhǎng)期使用的可靠性。例如，如果阻尼電路設(shè)計(jì)不當(dāng)，其中的電阻過(guò)低(低于 100Ω)，每當(dāng) Triac 在阻斷時(shí)的高電壓下觸發(fā)時(shí)可能造成過(guò)大的 Triac 峰值電流、過(guò)高的電流變化率(dI/dt)。這些過(guò)大的電流、過(guò)高的電流變化率重復(fù)出現(xiàn)的話，在導(dǎo)開(kāi)始導(dǎo)通的區(qū)域，在有的部位電流會(huì)太大的，從而逐漸降低控制極的可靠性。結(jié)果是：使用時(shí)間越久，控制極的靈敏度越低，最后永遠(yuǎn)無(wú)法觸發(fā)。從成本、尺寸以及可靠性的角度來(lái)看，解決這個(gè)問(wèn)題最好的方法是減小保護(hù)元件的尺寸，甚至完全不要。用三象限的雙向可控硅(3Q-Triac)就可以做到這點(diǎn)。

3+觸發(fā)象限(T2-.G+)的局限性

  Triac 可以看做是坐在一塊硅片上的兩只背靠背的閘流體，它們共用一個(gè)控制極。最早的標(biāo)準(zhǔn) Triac 是一個(gè)四象限元件，控制極的電流是正的或者是負(fù)的，MT2 極的電壓為正或者為負(fù)，這四種可以任意組合。圖3所示是觸發(fā)象限及正確的術(shù)語(yǔ)。

  四象限Triac 在3+象限的觸發(fā)時(shí)通過(guò)在控制極區(qū)域加入重疊作用，它使主端點(diǎn)1 提供電子以觸發(fā) G-MT1 范圍內(nèi)的閘流管，接著導(dǎo)通狀態(tài)由從這個(gè)中間狀態(tài)擴(kuò)展到主閘流管上。然而，在這個(gè)觸發(fā)模式下，載流子的流動(dòng)與現(xiàn)存的 1-to-3 換向(TM2 為正與 TM2 為負(fù))非常相似。因此在負(fù)載大時(shí)，1-to-3 換向很有可能被誤認(rèn)為是正確的 3+ 觸發(fā)信號(hào)。也就是說(shuō)，Triac 在 3+ 象限的觸發(fā)能力會(huì)受換向效能所影響，從而降低對(duì)誤導(dǎo)通與失控的防護(hù)能力。

四象限到三象限 Triac 的改進(jìn)

  三象限 Triac 中，去掉了控制極重疊的功能，這樣移除可以讓它能夠在高電壓(dV/dt)以及電流(dI/dt)變動(dòng)的情況下轉(zhuǎn)向，如果有的話，這個(gè)做法有的一點(diǎn)缺點(diǎn)是完全失去了任何的 3+ 觸發(fā)能力，不過(guò)對(duì)大部分的應(yīng)用來(lái)說(shuō)這并不重要，因?yàn)樵?3+ 象限的運(yùn)作通常會(huì)因?yàn)?Triac 的更低靈敏度、更差的導(dǎo)通效能以及更低許可的負(fù)載電流變化(dIT/dt)而避免。

  3+ 象限(象限 4 )為所有象限中最不常被使用的，例如圖二中離散式相位控制電路中的自動(dòng)觸發(fā)線路會(huì)自動(dòng)地在 1+ 與 3- 象限中運(yùn)作，同時(shí)，由邏輯晶片或微控制器所提供的單向觸發(fā)脈沖控制線路通常是以吸入(sink)閘極電流的方式設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@比提供電流要容易地多，因此 Triac 會(huì)在 1- 與 3- 象限間運(yùn)作，依循設(shè)計(jì)者指定的方式，輕易地避開(kāi) 3+ 象限。

其他能夠幫助三象限 Triac 將轉(zhuǎn)向能力最佳化的附加功能包括：

  兩個(gè)非平行閘流體分開(kāi)安排，以及降低其中一半轉(zhuǎn)向時(shí)對(duì)另一半的影響。

  對(duì)射極短路徑的布局與阻抗予以最佳化來(lái)限制電晶體的放大率，同時(shí)快速且安全地將移動(dòng)電荷載體導(dǎo)開(kāi)，避免它們?cè)谵D(zhuǎn)向時(shí)造成不必要的閘極驅(qū)動(dòng)電流。

  除了電壓變化(dV/dt)以及電流變化(dI/dt)的好處之外，三象限 Triac 的優(yōu)點(diǎn)還包括阻斷電壓高速變化(dVd/dt)更佳的免役能力，以及在最靈敏狀態(tài)下高溫時(shí)更佳的控制能力。

  溫度與 Triac 靈敏度的關(guān)系：基本上，在溫度較高的環(huán)境中，無(wú)可避免地 Triac 會(huì)變得越來(lái)越靈敏，它變得容易被導(dǎo)通，不管是透過(guò)外加閘極電流的蓄意動(dòng)作，或者是意外由內(nèi)部產(chǎn)生的漏電流或電容耦合電流所引起，如果 Triac 的接面溫度超過(guò)了額定溫度的最大值(Tj Max)，那么就可能會(huì)達(dá)到內(nèi)部漏電流大到足以讓 Triac 導(dǎo)通的溫度，這個(gè)錯(cuò)誤的情況代表了完全的失控，三象限 Triac 將會(huì)比同級(jí)四象限 Triac 在高溫時(shí)更容易維持較佳的控制狀態(tài)，我們將在稍后說(shuō)明。

  觸發(fā)電流(IGT)與轉(zhuǎn)向性的權(quán)衡；靈敏度較高的 Triac 雖然比較容易導(dǎo)通，但是也比較容易被誤導(dǎo)通，也就是說(shuō)，以相同的技術(shù)而言，擁有最低觸發(fā)電流(IGT)的最靈敏 Triac 對(duì)錯(cuò)誤觸發(fā)的免役力也最低，因此轉(zhuǎn)向的效能表現(xiàn)也最差，我們可以得到這樣的結(jié)論：轉(zhuǎn)向效能與閘極電流大小成正比或者也可以說(shuō)轉(zhuǎn)向效能與靈敏度成反比，因?yàn)楦哽`敏度也就等于低閘極電流 IGT。

  對(duì)相同靈敏度而言，三象限 Triac 同時(shí)也提供了比四象限 Triac 更好的轉(zhuǎn)向表現(xiàn)。在為應(yīng)用選擇三象限 Triac 時(shí)，設(shè)計(jì)者必須要在靈敏度以及失控免役力之間做最好的權(quán)衡，并盡可能地采用二極交流開(kāi)關(guān)來(lái)做觸發(fā)電路，并選擇擁有最高觸發(fā)電流(IGT)的最差靈敏度 Triac，同時(shí)指定最佳的轉(zhuǎn)向效能，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路能夠吸入的閘極電流有所限制時(shí)，應(yīng)該選用擁有最高閘極電流的 Triac 以便讓驅(qū)動(dòng)電流能夠正確地動(dòng)作，基本上，在驅(qū)動(dòng)電路能夠在沒(méi)有太大困難情況下吸入更多閘電流時(shí)，自動(dòng)指定擁有最高靈敏度的 Triac 并不是一個(gè)好的做法。

  3Q 與4Q Triac(三象限與四象限)轉(zhuǎn)向特性之間的比較

  三象限與四象限 Triac 在放到轉(zhuǎn)向特性測(cè)試儀器下，比較 Tj=125℃ 時(shí)最大的電流變化(dI/dt)與電壓變化(dV/dt)能力，圖4為比較結(jié)果，使用的測(cè)試元件為：

  整流電感性負(fù)載代表更高的電流變動(dòng)(dI/dt)：整流后的電感性負(fù)載為控制用 Triac 轉(zhuǎn)向特性最嚴(yán)苛的要求之一，當(dāng)供應(yīng)電壓趨近于 0 時(shí)，如果低于點(diǎn)感性負(fù)載所產(chǎn)生的電壓將會(huì)到達(dá)一個(gè)交叉點(diǎn)，當(dāng)負(fù)載電流在橋式整流二極體上產(chǎn)生飛輪現(xiàn)象時(shí)，橋式整流器交流端的電流會(huì)快速降到 0，而 Triac 上的高電流變化(dI/dt)只受橋式結(jié)構(gòu)交流端的寄生電感所限制，這將會(huì)造成大部分的四象限 Triac 以及部分較為靈敏三象限 Triac 的轉(zhuǎn)向可靠度變差，較為靈敏的四象限 Triac 甚至將無(wú)法在 230V 50M 正弦波的 0.1V/s 由 0 電壓開(kāi)始上升時(shí)正確轉(zhuǎn)向，此時(shí)就算是加上緩沖電路也無(wú)濟(jì)于事，因?yàn)殡妷鹤儎?dòng)率(dV/dt)已經(jīng)很低了。

  解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)方法是加上串聯(lián)的非飽和電感來(lái)限制電流變化(dI/dt)到 Triac 能夠轉(zhuǎn)向的程度，同時(shí)也需要一個(gè) RC 緩沖電路來(lái)延緩任何可能造成的過(guò)度電壓變化(dV/dt)，并且?guī)椭?Triac 來(lái)忍受電流的變化(dI/dt)。

  較好的解決方法則是采用擁有最高閘極電流(IGT)以及最佳轉(zhuǎn)向表現(xiàn)的三象限 Triac，因此我們可以省下所有的保護(hù)元件，同時(shí)保證能在到達(dá)額定最高接面溫度前正確地運(yùn)轉(zhuǎn)，也就是說(shuō)，三象限雙向是唯一可行的選擇。

實(shí)際應(yīng)用舉例：整流的小型家電用馬達(dá)

  圖 6A 中為一個(gè)相位控制的整流直流永磁式馬達(dá)，通常使用在小型的手握式廚房設(shè)備中，我們采用在稍早轉(zhuǎn)向性測(cè)試中使用的 Triac 元件到實(shí)際應(yīng)用上測(cè)試，接面溫度(Tj)為 125℃。

  在圖 5B 中我們可以看到四象限 Triac 轉(zhuǎn)向失效的情況，在轉(zhuǎn)向時(shí)的高電流變化(dI/dt)可以看做是持續(xù)通過(guò) 0 點(diǎn)，而不需 Triac 的阻斷電壓。在負(fù)載上串連 4m 亨利(Henry)的電感能夠把電流變化延緩，使得四象限 Triac 能夠轉(zhuǎn)向，請(qǐng)見(jiàn)圖 5C。

  圖 5D 則顯示出三象限 Triac 能夠在沒(méi)有任何保護(hù)元件幫助的情況下成功轉(zhuǎn)向。

  圖 6 則為兩種 Triac 形式的電壓變化(dV/dt)與電流變化(dI/dt)相對(duì)圖。

  高溫測(cè)試：在整流直流 PM 馬達(dá)電路中測(cè)試的 Triac 會(huì)在一個(gè)電壓點(diǎn)截止，但溫度會(huì)在一直上升直到 Triac 失控為止，也就是轉(zhuǎn)向失效，失效發(fā)生點(diǎn)的溫度越高，就代表 Triac 的轉(zhuǎn)向特性越佳，所有測(cè)試的 Triac 都采用 8A、600V規(guī)格以便比較，轉(zhuǎn)向失效溫度請(qǐng)見(jiàn)表一，在這里，加入了三象限 Triac 的較靈敏例子以便表示轉(zhuǎn)向特性與溫度變化的關(guān)系，在這個(gè)測(cè)試中電路造成的轉(zhuǎn)向情況為：dI/dt=8.52A/mS 與 dV/dt=20V/μS

  從結(jié)果中可以輕易看出三象限 Triac 比起傳統(tǒng)四象限技術(shù)的好處，靈敏度最差的三象限 Triac 在 200℃ 測(cè)試時(shí)對(duì)失效控制的免役程度還是相當(dāng)?shù)母?，下一段的靜態(tài)電壓變化(dV/dt)測(cè)試將會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)這一個(gè)論點(diǎn)。

  200℃為熱度在安全溫度保險(xiǎn)絲燒斷前所能達(dá)到的最高溫度，因此不可能達(dá)到 Triac 的轉(zhuǎn)向失效溫度。

  200℃比額定 125℃ 接面溫度要高得多，因此 200℃ 的成功測(cè)試并不代表三象限 Triac 能夠常常處在 125℃的溫度之上，因?yàn)槿绻ぷ鹘用鏈囟瘸３３^(guò)額定值的話，將會(huì)降低元件的長(zhǎng)期可靠度以及使用壽命。

  三象限與四象限 Triac 靜態(tài)電壓變化(dV/dt)的比較：在轉(zhuǎn)向特性比較中所使用的相同 Triac 同時(shí)也用來(lái)測(cè)試電壓變化的比較，結(jié)果如圖 7：

總結(jié)：

與傳統(tǒng)四象限 Triac 比較時(shí)，在較嚴(yán)苛的情況下運(yùn)作時(shí)，新型的三象限 Triac 對(duì)誤動(dòng)作導(dǎo)通以及失控上擁有較佳的免役性，這些情況包括：

◇非線性或反動(dòng)式負(fù)載，會(huì)在 Triac 上造成高電壓變化(dv/dt)與電流變化(dI/dt)

◇接近最高接面溫度時(shí)的高溫運(yùn)作，這時(shí) Triac 會(huì)變得更靈敏且更容易失控

◇在阻斷狀態(tài)時(shí)，高雜訊電路會(huì)在 Triac 上造成高電壓變化(dVD/dt)

對(duì)家電制造商的好處

 三象限 Triac 的強(qiáng)化效能為 OEM 廠商帶來(lái)下列的好處：

 ◇可以節(jié)省或精簡(jiǎn)傳統(tǒng)四象限 Triac 穩(wěn)定運(yùn)作時(shí)所必須的保護(hù)或緩沖電路及電感

 ◇電路更簡(jiǎn)化

 ◇電路更精簡(jiǎn)

 ◇整體系統(tǒng)成本更低

 ◇失控的免役程度更高

 ◇由于去除了會(huì)對(duì) Triac 形成壓力的保護(hù)元件，因此擁有更長(zhǎng)效的可靠度。
佛山市合芯半導(dǎo)體有限公司推出的三、四象限可控硅，廣泛應(yīng)用在家電、燈飾、點(diǎn)火器等領(lǐng)域，質(zhì)量可靠，深得用戶好評(píng)，歡迎新老客戶咨詢和使用。