Alternistor：家用电器中的感性负载开关

作者：儒卓力标准产品经理 Thomas Bolz 和 Littelfuse 技术营销部 Tawade Prasad

三端双向可控硅(triacs)是用于交流应用的开关，坚固耐用并且易于操作，因此从咖啡机到冰箱均可见其踪影。高换向三端双向可控硅开关也称为Alternistor，具有改良后的换向特性，甚至能够经济高效地静音开关感性负载，并且使用寿命长。

交流电三极管即是三端双向可控硅开关，是晶闸管系列的一部分，可以通过正电压和负电压操作，一旦触发便会保持导通状态，除非接收到进一步的触发信号，否则直到负载电流低于保持电流才会发生变化。当使用交流电压运行时，这种情况最迟发生在电流过零点。

如图 1 所示，其结构可以看作为两个电气隔离的反并联晶闸管，它们共享一个栅电极，两个晶闸管的电源区域的控制面重叠。有两种控制三端双向可控硅开关的方法。

图 1：具有主端子 MT1_= _node 1、MT2_=_Anode_2 和栅极的三端双向可控硅开关电路符号，MT2 通常直接连接到封装。 图片来源：儒卓力

第一种是突发控制 (Burst control)，允许开关在一定数量的半周期导通，然后在几个半周期保持关断。这导致负载上的平均功率取决于导通和关断半波的比率，在图 2，这一比例为2:1。

图 2：突发控制示意图  图片来源：Littelfuse

电网规定的周期长度只允许设置整数比，这限制了输出变量的量化。为了获得有用的时间平均值，导通和关断周期必须在几个半波的范围内。

突发控制用于控制交流电压消耗器的功率，典型应用包括流量加热器和电加热器。由于开关仅仅发生在电流过零处，因此在很大程度上避免了奇次谐波。

第二种是相角控制，可在每个半周期开始后的设定时间触发三端双向可控硅开关。图3的示意图显示其功能原理。

图 3：相角控制原理  图片来源：Littelfuse

通过改变触发三端双向可控硅开关的时间（也称为触发角），能够控制周期性平均值。通过自由选择触发角，允许在0 到100%范围内对平均值进行模拟调整。图 4 的例子是用于调光器的简便触发操作。

图 4：简单三端双向可控硅电路用于相位控制   图片来源：儒卓力

静音耐用：双向可控硅开关对比继电器

与机电继电器不同，双向可控硅是固态继电器，并且具有一定优势：它们静默地运作，并且没有机械磨损，因此使用寿命相比继电器长得多。三端双向可控硅开关不会出现颤振或电弧和火花，因此可以用于禁用发出火花继电器的潜在爆炸环境。三端双向可控硅开关也可用于负载的相位控制，从而为小型和大型家用电器的应用开辟了广阔空间。三端双向可控硅开关适合用于从咖啡机到冰箱的各种设备，用以控制温度、光照强度和电机速度等参数。

相移产生影响

当阳极和阴极之间的主电流低于保持电流时，晶闸管和三端双向可控硅开关则关断。通过在关断后重新组合电荷，这种开关操作会产生所谓的返回电流。如果在栅极的相邻区域中存在剩余的过量电荷，并且在过零后电压再次升高，则可能会触发三端双向可控硅开关中的第二个晶闸管。

在高达 400 Hz 左右的电网频率和正弦波形下，由于电流和电压是同相的，因此纯欧姆负载的换向操作不存在问题。正如预期，换向发生在电流的过零处，这与由于相移引起的电压过零同时发生。图 5 显示了由此产生的电流和电压变化。

图 5：纯欧姆负载换向   图片来源：儒卓力

如果三端双向可控硅开关用于控制电流和电压之间发生相移的感性负载，则会出现图 6 所示的情况。

图 6：感性负载换向  图片来源：儒卓力

在电流过零期间，三端双向可控硅开关的主端子上会出现电压。由此产生的电压dv/dt 快速变化可能会错误地触发敏感的三端双向可控硅开关。因此，需要非常仔细地设计可控硅开关的控制电路。

选择合适的三端双向可控硅开关的一个重要参数是允许电压上升率 dVcom/dt。如果超过此数值，则组件不会关断；为了保证关断，必须限制换向间隔期间的电流下降率 dIcom/dt和关断操作后的电压上升率 dVcom/dt。三端双向可控硅开关的数据表包含最大允许换向电压上升率数据，具体取决于三端双向可控硅未触发时的阳极电流下降率以及组件温度。

缓冲网络可防止不必要的触发

如果三端双向可控硅开关必须在预期可能出现错误开关的感性负载电路中运行，则通常将放电或 RC 缓冲网络与三端双向可控硅开关进行并联（如图 7）。缓冲器确保三端双向可控硅开关不会负载过重或因电压突然升高而过早触发，例如由电网电源中的电压峰值引起的情况。此外，可以通过串联电感器来限制电流上升率 dI/dt，这意味着尽管电压的变化很大，但仍然不会触发三端双向可控硅开关。

图 7：具有 RC 缓冲网络的双向可控硅  图片来源：儒卓力

在选择合适的缓冲网络时，必须仔细选择各个组件。这里的关键因素是负载电感、交流电源的频率和负载的有效电流。缓冲电阻必须足够高，以防止电压过冲，并将使用三端双向可控硅开关的电容器的峰值放电电流限制在所允许 dI/dt 范围内。缓冲电容器必须针对电源系统的全交流电压进行设计。

然而，与三端双向可控硅开关并联的缓冲器网络增加了电路的复杂性，并且导致缓冲器中出现额外的功率损耗。

更好的简化电路设计方法是使用Alternistor。与标准三端双向可控硅开关不同，这些高换向三端双向可控硅开关更好地分隔了两个“晶闸管半波”，从而具有更好的换向稳健性。更高的允许dVcom/dt还可以在没有缓冲器的情况下控制感性负载，这项特性可改善具有更高频率或非正弦形状的电流换向运作，而无需使用额外的电感器来限制 dI/dt。

这表明：使用交流电阻器减少了组件数量并在电路板空间和系统成本方面节省了大量成本，使得开发人员可以创建更简单的设计。

高感性负载的选项

Littelfuse提供的Alternistor具有至少是其标称电流十倍的高浪涌电流承受能力。这项性能在具有感性负载的电路中很重要，因为电感器的浪涌电流是标称电流的数倍。浪涌电流限制 ITSM 是 10ms或 8.3ms持续时间（50 或 60 Hz）的正弦半波形式的通态电流浪涌峰值，在发生短路时三端双向可控硅开关可以承受这个电流而不会损坏。当三端双向可控硅开关加载有浪涌电流限制时，阻隔层温度会在短时间内升高。

Littelfuse提供采用不同机械和耐热封装的Alternistor产品，包括绝缘和非绝缘型款。分立封装允许使用弹簧夹进行安装，以减少安装工作量，所使用的夹式键合技术广泛用于制造高性能半导体模块和组件，保证了出色的可靠性。夹式键合技术采用的实心铜桥提供更好耐热性和超快开关能力，代替了芯片和引线之间通常使用的焊线连接。

铜夹的接触面比焊线大得多，热量可以更有效地从芯片顶部散发到引线框架，从而改善了散热性能。这样降低了运行期间的最高阻隔层温度，从而延长了三端双向可控硅开关的使用寿命并提高了可靠性。所有三端双向可控硅芯片都具有玻璃钝化的阻隔层，从而保证了长期的可靠性和组件参数的稳定性。

冷却叶片采用内部电隔离，隔离电压高达 2500 V RMS，所有组件均通过 UL 认证（参考文件 E81734）。这样无需使用和安装单独的绝缘体，与采用带电冷却叶片的设计相比，可以节省成本。与传统的环氧树脂绝缘相比，使用陶瓷绝缘带来更好的散热性能和更长的使用寿命。

在Alternistor产品领域中，有四大系列特别值得业界关注，它们仅在象限 I、II 和 III 中运行（如图 8）。由于典型应用通常连接到交流电路，因此三端双向可控硅开关在 I 和 III 象限中工作，可以包容第四触发象限的损耗。

图 8：Alternistor三端双向可控硅开关的触发象限  图片来源：Littelfuse

Qxx10Hx：10 A型款提供采用 TO-220AB 封装和 TO-263 SMD封装 (D2Pak) 的绝缘产品和非绝缘产品。ITSM 为120 A (60 Hz)。25 A型款 (Qxx25xHx)则提供以下封装选项：TO-220 绝缘和非绝缘；坚固绝缘的 TO-218 和 TO218X 封装(带焊片)；TO-263 SMD 封装 (D2Pak)。ITSM 为 250 A (60 Hz)。

QJ 系列高温Alternistor产品尤其是亮点：QJxx16xHx是一款 16 A 功率双向可控硅，采用 TO-220AB 和绝缘 TO-220 及TO-263 封装，最高阻隔层温度为302° F (150°C) ，ITSM 为200 A (60 Hz)。25 A型款(QJxx25xHx)采用相同的封装，使用坚固绝缘的 TO-218 和 TO218X 封装(带有焊片)。这款三端双向可控硅开关的最高阻隔层温度为 302°F (150°C)，ITSM 为 250 A (60 Hz)。

QJ系列产品能够简化热管理，并具有高浪涌电流耐受能力，允许在加热和电机控制应用中出现高浪涌电流，有助于解决交流电源控制应用中的过热问题。

总结

三端双向可控硅开关非常适合交流电压开关和相位角控制应用，例如加热、照明和电机速度控制。这种开关可用于电流从电源插座流出的任何位置，包括在咖啡机、流量加热器、红外线加热器、厨房电器、电动工具、加热控制、交流半导体继电器、调光器和电机速度控制系统中。