为什么双向可控硅能调光却不适合高频和直流很多人知道双向可控硅能调光、调速却不清楚它为什么既能双向导通又不能像MOS管那样随时关断。看懂TRIAC你就看懂了交流功率控制里最经典的一类器件。1、TRIAC的本质双向可控硅英文名TRIACTriode AC Switch属于晶体闸流管家族中的一种可等效视为两只普通单向可控硅SCR反向并联而成的集成器件。它的核心特征是控制极G极只能触发导通不能强迫关断。器件导通后只有当主回路电流在交流换向时自然降至维持电流IH以下它才会自行关断。也正因为这个特性TRIAC 是一种典型的双向导电、半可控功率器件。它适合用于低频交流线路例如 50Hz、60Hz 电网环境下的调光、调速、交流开关等场景但它不适合高频交流也不适合直流电路。从结构图看TRIAC的下半部分是一个标准SCR上半部分则通过复合结构形成了三个SCR。整个器件内含四个SCR结构其中两个是主通路两个是辅助门极通路。器件本体呈NPNPN五层结构分别为P1-N1-P2-N2正向主可控硅P2-N1-P1-N4反向主可控硅P1-N1-P2-N3门极辅助可控硅P2-N1-P1-N4另一只门极辅助可控硅2、TRIAC的伏安特性与导通原理TRIAC的伏安特性曲线与SCR相似但呈现完全对称的正、反向特性。当G极电流达到一定幅值时器件导通导通压降很小。一旦导通G极即失去控制作用。当电流降至接近于零的IH以下时器件阻断并在交流反向半周重复上述过程。值得注意的是由于TRIAC承受的是交流电压G极电流相对于主端子T1既可能为正向也可能为反向。因此它一共有四种触发模式按象限划分第一象限触发T2相对T1为正G极电流相对T1为正。触发原理与标准SCR完全相同是最敏感、最常用的模式。第二象限触发T2相对T1为正G极电流相对T1为负。电流从T1流向G极先触发门极可控硅P1-N1-P2-N3通过扩展效应继而触发主可控硅导通。第三象限触发T2相对T1为负门极电流从T1流向G极触发N1-P2-N3晶体管N1区电流进而触发反向主可控硅。第四象限触发T2相对T1为正门极电流从G极流向T1驱动N2-P2-N1晶体管使P2-N1-P1工作进而触发边缘的门极辅助可控硅再触发反向主可控硅。以上的四种模式都能完全触发器件但敏感度明显不同——第一象限最强、最灵敏第四象限最弱所需触发电流最高。若使用第四象限触发往往需采取改善敏感性的措施这可能影响器件的其他性能。因此大多数工程师会有意避开第四象限许多产品设计甚至直接禁止使用该象限。常用的双硅调光电路普遍采用第一、第三象限触发下图是最常用的双硅调光电路其中T1与G之间的电阻为可选注意T1与G极内含约几百欧姆的等效电阻。3、TRIAC的过零触发过零触发Zero-Cross Triggering的工作过程为当交流电压接近零点时触发电路检测到“过零点”GATE端送出触发脉冲使TRIAC导通当交流电压过零再次反向时电流降至维持电流以下TRIAC自动关断下一半周重复该过程。这种方式实现了电压过零点导通电路稳定、抗干扰能力强EMI极低且器件无关断应力整体可靠性高。上图是过零触发的典型电路使用具有过零检测功能的光耦来驱动TRIAC广泛用于交流开关不可调相比如固态继电器SSR。4、换相失败现象换向失败Commutation Failure是指器件在电流过零时未能成功关断反而持续导通进入下一个半周导致电路失控。这是TRIAC特有的现象。其实质是内部多个SCR和三极管结构在某些条件、某些时刻发生相互作用所致。主要诱因包括感性负载造成的电流滞后、电压dv/dt过大、温度过高以及di/dt过大等。设计者需对症下药针对性地避免或降低这些诱因的影响。5、双向可控硅的选型实例我们以Littelfuse的双向可控硅MAC4DHMT4G为例说明一下TRIAC的性能。这一颗很适合用在220伏交流电的调节电路。该器件的管压降是1.3V最大到1.6V下图中给出该器件在不同温度下的伏安特性。在不同导通角下它的损耗和结温随着直流有效值而变化的曲线方便我们的使用和计算总的趋势是导通角越小结温越低损耗也越小。数据手册中也给出了四种触发模式下所要求的G极电流、电压的数值下图是在不同温度下四种触发模式下所要求的G极电流的变化曲线。可以看出第四象限所要求的驱动电流是最高并且驱动电流随温度升高而降低。下图是四种触发模式下所要求的G极电压随结温变化的曲线。基本成线性下降第四象限所要求的驱动电压是最高。6、双向可控硅的工程要点在设计和使用中除对最高电压、电流进行降额外还须注意以下几点触发电流应该大于所用的触发象限要求的门极触发电流。触发脉冲使用宽脉冲或脉冲串确保在电压-电流相位差存在时门极信号能持续到电流建立起来。门极驱动电路通常与交流主回路隔离以保安全和抗干扰。感性负载关断时感应电压尖峰会使dv/dt问题严重应在器件两端加装RC缓冲电路。容性负载导通瞬间电容近乎短路面临严重的di/dt问题必要时应串联小电感以限制di/dt。TRIAC的核心价值在于它能在交流正负半周都实现可控导通因此特别适合交流调光、调速和开关控制。它和MOSFET、IGBT最大的不同在于门极只能触发导通不能主动关断真正的关断要依赖交流过零。也正因为如此需要进一步看懂它的四象限触发、过零导通、换向失败以及负载特性对它的影响。在工程实践中针对感性或容性负载做好dv/dt与di/dt的抑制并确保足够的触发电流与正确的脉冲时序才能充分发挥这颗器件在交流调光、固态开关等领域的功能。本系列不断更新覆盖分立电源与电源管理核心知识。下一期我们聊【DIAC、SIDAC】感兴趣的话点个关注不迷路。