作者： Muriel Nina和Laurent Gonthier

從上個世紀70年代開始，雙向可控硅（又稱三端雙向晶閘管）一直用于控制交流負載，幾乎在所有電器上都能看到雙向可控硅。當終端設備上的電壓上升速率過快時，雙向可控硅將會自動觸發，從那時起，設計人員就必須面對雙向可控硅的這個特性。當設計對電壓快速瞬變有要求的電器時，必須考慮這個問題。

半導體易受到dV/dt變化速率的影響

功率半導體器件由多個半導體層組成。例如，雙向可控硅是四層結構交流開關元件，每層是半個祼片，每層通過交替摻雜方法控制空穴濃度（P區）或自由電子濃度（N區），形成兩個單向可控硅。因此，雙向可控硅相當于兩個反極性并聯的單向可控硅（圖 1）。

每個PN結都會產生寄生電容，當施加斜坡電壓時，就會產生電容電流（ICAP）。電容電流可能會向IGBT或功率MOSFET等電壓控制型半導體的柵極電容充電。如果電容電壓持續升高，超過閾壓（VGS（th）或VGE（th）），器件可能會導通。即使不足以觸發器件，器件也可能進入飽和模式（如果是MOSFET）或線性模式（如果是IGBT），導致功率損耗過大和器件失效。為避免這個問題，柵極必須通過低阻抗以源極或發射極為參考點。

圖1:a）雙向可控硅結構易受dV/dt上升率影響 b） dV/dt上升率引起導通示例圖

如果dV/dt（以A1端為參考點）為正值，則電流ICAP經P1-N1結流至A1；如果dV/dt為負值，則電流ICAP經P2-N3結流至A2（如圖1所示）。假如P1或P2層電壓分別高于P1-N2或P2-N3結閾壓（即0.6 V），該電容電流就可能導致雙向可控硅導通。

在雙向可控硅產品數據手冊中，廠商給出相關器件在導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數值，雙向可控硅可能就會導通，如圖1b所示。只要施加的電流小于器件最大輸入電流，dV/dt引起的導通不會損壞雙向可控硅。因為當雙向可控硅導通時，電流會受到負載阻抗限制，所以大多數情況下不會損壞雙向可控硅。

改進雙向可控硅的dV/dt特性

為避免當雙向可控硅輸入端上電壓變化速率過快而引起的導通問題，傳統解決方案是給雙向可控硅并聯一個阻容緩沖電路，抑制市電的dV/dt變化速率。但是，這些電路需要一個大型電容，以耐受高達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，即增加一個電阻器（圖1中的RG ）。如圖1所示，這個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結分流（見藍色虛線ICAP），防止開關被觸發。對于負電壓dV/dt情況，電容電流（圖1a中的紅色虛線）流向P2-N3結。外部器件無法分流這部分電流，因而無法改進反向dV/dt抑制功能。

用電容替代電阻（圖1中的RG ）也可以解決這個問題，雖然這個辦法在SCR（可控硅整流管）中效果很好，但是不建議用于雙向可控硅，因為雙向可控硅導通時dI/dt速率很高，這個電容可能會在雙向可控硅柵極上產生過流，導致器件損毀。

為防范這種風險，可以給該電容串聯一個電阻（圖2a中的RG 和CG），這樣做的好處是使用一個低阻值的RG，同時避免了從控制電路分流過高的電流，因為只要充電，CG 相當于開路。

柵極阻容濾波器有益于提高應用抗干擾能力

家電電器必須達到電磁兼容性標準的最低要求。因為雙向可控硅通過負載直接連接市電，這類電器對IEC61000-4-4標準中的電快速瞬變（EFT）實驗所用瞬變事件特別敏感。

IEC61000-4-4實驗條件包括耦合到市電網絡的5 kHz或100 kHz電壓脈沖串。因為該實驗是在整個被測電器上進行，所以微控制器也可能受到電磁干擾。我們在實驗中只評測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測試配置

輸入變阻器用于鉗制電壓，防止擊穿導致雙向可控硅導通。假如沒有輸入變阻器，只要施加1 kV峰壓，任何雙向可控硅都會導通。我們使用一個白熾燈作為負載，以便于觀察雙向可控硅何時導通。例如，我們測試了幾款意法半導體的T系列產品（T610T-8FP， T810T-8FP， T1210T-8FP， T1610T-8FP）。每款產品的柵電流都是10 mA，都對EFT（電快速瞬變）噪聲敏感。通過圖2中的RG-CG-RG2電路，每款產品都能承受3 kV 5 Khz脈沖或2 kV 100 Khz脈沖。如果沒有這個柵極電路，連1 kV的脈沖都承受不住。RG2 對應微控制器輸出引腳的內部RDS（ON）電阻，無需增加外部電阻。

與傳統緩沖電路（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 3.3 kV 典型值）。柵極電路只用一個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，意法半導體T系列產品本身的負電壓dV/dt性能非常優異，同時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絡進入到控制電路的噪聲。

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