过压钳位保护可控硅简介

作为可控硅器件的领导厂商，瑞能半导体一直致力于开发出性能更卓越，更加可靠的产品。为此瑞能半导体成功推出了具有过压钳位保护功能的ACT/ACTT系列可控硅。这些产品主要用于各种家电产品中，像洗衣机，洗碗机，智能马桶等。这些电器在日常使用中，因为市电中的噪声影响，尤其是在电器开关的过程中，常常会发生瞬态的过压现象，因此需要可控硅具有电压钳位功能和更高的 dVD/dt。

前言

可控硅作为功率半导体器件，具有体积小，结构简单，可靠性好，功能强的特点，被广泛应用于各种电子和电气设备中。双向可控硅，作为唯一的可以用来控制交流负载的双向导通的半导体开关器件，在白色家电，小家电等消费类产品中，被普遍的用作交流开关来控制马达，阀门和加热器等负载。可控硅在阻断状态时的误触发是在实际应用中让广大用户苦恼的问题， 超出最大断态电压变化率（dVD/dt）和超出断态重复电压峰值（VDRM）是实际应用中造成可控硅误触发的主要原因。日常使用中，电网中的感性负载、容性负载的切换和电机的启停都会在市电中产生各种各样的噪声和瞬态尖峰，造成可控硅在过压下误触发导通，进而导致器件因电流应力过大而损坏。瑞能半导体，作为可控硅器件的领导厂商，一直致力于开发出性能更卓越，更可靠的产品。基于其先进的平面钝化工艺,推出了带过压钳位保护功能的双向可控硅产品—ACT系列和ACTT系列：

AC Thyristors (ACT)

AC Thyristor Triacs (ACTT)

图1：瑞能ACT/ACTT 可控硅典型应用

过压钳位保护可控硅简介

双向可控硅，又称作TRIAC,，是英文Triode AC semiconductor switch的缩写，其意思是三端交流半导体开关，目前主要用于对交流电源的控制。TRIAC具有两个稳定的工作状态：高阻抗、低漏流的关断状态和低阻抗、高电流的导通状态。TRIAC 可以承受正向和反向的阻断电压，并在施加门极触发电流后导通电流。TRIAC 典型的电流-电压特性曲线如图2 所示。

图2：TRIAC 典型的电流- 电压特性曲线

瑞能ACT/ACTT 过压钳位保护可控硅在三端双向可控硅的基础上增加了瞬态过电压钳位功能，同时提高了断态电压突变处理能力（dVD/dt）。ACT/ACTT系列产品能够在交流回路中存在过压噪声的情况下，将电压钳位于其能够承受的范围内，噪声的能量将会转化为热量耗散掉，使其不会因为过压而导致误触发。ACT/ACTT 可控硅作为性能卓越的交流开关，在150℃结温下dVD/dt 典型值达到了1000V/us以上，提升了整个系统的抗噪声能力。瑞能半导体拥有丰富的ACT/ACTT系列产品,涵盖0.2A~16A的电流和600V~800V的电压范围，大部分的产品达到Tj(max)=150℃的高结温要求，多种封装形式能够给客户提供多种选择。在白色家电，洗碗机，智能马桶，风扇，水泵等高电感和高安全要求应用中，因其出色的性能和极高的可靠性被众多终端用户广泛使用。

表1：瑞能半导体过压钳位保护可控硅系列概览

ACT/ACTT可控硅在洗衣机中的应用

TRIAC作为半控型开关器件主要特点为可以通过门极驱动信号控制器件导通却不能控制其关闭，当门极施加触发电流后，TRIAC会发生闭锁（Latch up）进而导通，移除门极触发电流后 仍然处于导通状态，直到负载电流小于其维持电流后自动关闭， TRIAC作为交流开关器件广泛应用于交流负载的控制。在以洗衣机为代表的白色家电中，TRIAC经常被用于交流电机、电磁门阀、排水泵、进水阀等负载的控制。ACT/ACTT系列可控硅在洗衣机中的应用如图3所示。

图3：ACT/ACTT可控硅在洗衣机中的应用拓扑图

洗衣机交流电机特性(AC Motor)

交流异步电机因其制作工艺成熟、可靠性高、价格便宜在洗衣机中被广泛使用，其主要由绕线组成，具有高感抗的特性，工作过程中经常会遇到反动电动势带来的问题。反电动势是指由反抗电流发生改变的趋势而产生电动势。反电动势一般出现在电磁线圈中，如继电器线圈、电磁阀、接触器线圈、电动机、电感等。通常情况下，只要存在电能与磁能转化的电气设备中，在断电的瞬间，均会有反电动势，反电动势有许多危害，控制不好，会损坏电气元件。

电机由于具有高感抗其绕组线圈中的电流不能突变，当回路异常断开时由于电流不能突变此时会产生一个反电动势当其高于可控硅的耐压时会导致可控硅因过压而误开启，可控硅过压导通往往会伴随着较大的电流应力此时器件可能会因过电流而发生失效。图4所示为ACTT产品吸收尖峰电压过程。

图4：ACTT产品吸收电压尖峰

洗衣机电磁阀特性 (Solenoid Valve)

洗衣机进水阀主要由线圈、导磁铁框与衔铁组成。其工作原理是，电磁铁线圈通电后，形成磁场，吸引阀芯向上移，水道打开水流导通。电磁线圈失电后，在弹簧和重力作用下，阀芯下沉压紧膜片堵住水道，水流截断。

洗衣机进水阀是高感抗和高阻抗负载，通常电感量能达到mH级别，阻抗从几百欧姆到几千欧姆不等。当电路突然断开时电磁阀线圈由于电流不能突变会产生一个瞬态电压尖峰，瞬变电压具有高的电压上升率和峰值 ，此时可控硅容易因为过dVD/dt或超出耐压范围而误开启，可控硅在高压下开启会产生较大的电流应力。实验室测试数据表明极端情况下即使电磁阀的电阻达到数千欧姆可控硅过压开启时所产生的dIT/dt能达到100A/us。

图5：洗衣机进水电磁阀

ACT/ACTT可控硅的优势

过电压钳位功能

ACT 和ACTT 能够在交流回路中存在过压噪声的情况下，将电压钳位于其能够承受的范围以内，噪声的能量将会转化为热量耗散掉，使其不会因为过压而导致误触发。如6展示了可控硅吸收超出耐压范围的电压尖峰的过程。通过I-V图示仪我们可以清晰的看到，随着电压接近并超出可控硅的耐压值电流快速的增加，当电流增加到0.29mA时三象限 Hi-ComTM TRIAC直接闩锁导通而ACT产品随着电流的增加一直将电压钳位在额定耐压值，直到电流超过2.01mA才闩锁导通。

图6：ACT产品吸收超出耐压范围的电压

优异的dVD/dt性能

dVD/dt是可控硅在阻断状态下阳极（A）和阴极（K）之间的临界电压变化率。在实际应用中，如果dVD/dt超过该临界值可控硅会触发导通。当可控硅在阻断状态下，施加在AK之间的快速变化的电压会对可控硅内部的寄生结电容充电。和门级电流类似，当该充电电流超过其临界值后，可控硅会触发导通。在产品手册中一般会给出dVD/dt的最小值。图-7所示为dVD/dt的标准测试电路和测试波形。在电源两端加载待测器件67% 的VDRM电压（VDM），当开关SW闭合时电源通过R1对电容C充电，调节R1阻值大小可以调节可控硅两端的电压变化率。电感RL起限流保护作用，避免可控硅导通后因过电流而损坏。T为电压波形10%~63.2%之间的时间，dVD/dt计算公式如下：

dVD/dt = 53.2% * VDM / T

图7：dVD/dt 测试电路及波形

可控硅在断态时的误触发是在实际应用中让广大用户苦恼的问题，在电机、电磁阀等感性负载的应用中超出最大断态电压变化率（dVD/dt）是可控硅误触发最主要的原因之一。ACT/ACTT系列可控硅采用最新平面工艺相对传统可控硅具有更高的dVD/dt能力。图8所示为同一IGT不同类型产品的dVD/dt性能对比，瑞能ACT产品在Tj=125℃的条件下dVD/dt达到3200V/us是三象限 Hi-ComTM TRIAC的4倍，这对于提升系统的稳定性和可靠性具有明显优势。

图8：ACT 产品与3Q Hi-Com TRIAC dVD/dt 性能对比

可靠的平面钝化工艺

图9：TRIAC的剖面示意图

瑞能半导体目前市面上所有可控硅产品都使用平面工艺（如图-9），平面工艺相对台面工艺具有以下优点：

更优异的量产工艺：从紧控制，低的参数波动。

切割过程中不会破坏电压钝化层，极低的缺陷率保证了稳定的压阻特性。

Die顶部钝化，键合打线方法消除了锡料污染导致短路故障的风险。

低漏电性能以及高稳定性，使高Tj(max)+高耐压+低IGT首次成为可能。

小结

瑞能半导体过压钳位保护可控硅具有卓越的电压瞬变处理能力（dVD/dt）及过电压钳位保护功能，提升了系统的可靠性，在大部分的应用中可以不再需要RC吸收电路。ACT/ACTT系列可控硅以其优越的性价比在洗衣机、洗碗机等家用电器中被广泛使用。

审核编辑 ：李倩