1、 光可控硅简介
光可控硅(Photo Triac)为一无接点的器件,它可以用微小的讯号(几毫安到几十毫安)控制三端双向可控硅(Triac)的接通和分断,输入端与输出端之间采用光电隔离,输入端加上直流或脉冲讯号,输出端就能从断态转换成通态,Photo Triac Driver分成零点触发(Zero-cross)和任意相位触发(Random-Phase)两种类型。
2、三端双向交流开关(TRIAC)的工作原理
三端双向交流开关(TRIAC)是由双向晶闸管(bidirectional thyristor)所组成,代替两个反极性并联的晶闸管(thyristor),并使用一个触发电路,是目前比较理想的交流开关器件。双向晶闸管可以双向导通,即闸极(Gate; G)加上正或负的触发电压,均能触发双向晶闸管正、反两个方向导通。与单向晶闸管相比较,双向晶闸管的主要的区别是触发之后为双向导通;触发电压不分极性,只要绝对值达到触发门限值即可导通。其内部结构和符号如图1所示。
图(1) 双向晶闸管内部结构和符号图
因为TRIAC是双向组件,当闸极电流IG不论极性为何,只要T1与T2间电压小于其额定转态电压时,TRIAC处于截止状态。两阳极间只有少量的漏电流通过,当闸极电压大于转态电压,TRIAC为低电阻,电流上升则端电压下降呈现导通状态,一但转态导通,闸极不再有控制作用。
在移去闸极信号后,以下三种方式可将TRIAC截止:
(1)中断两端点(T1和T2)的电压(开路或短路)。
(2)改变两端点(T1合T2)的电压极性(如使用交流电则会自动截止)。
(3)将导通的电流降低至维持电流IH以下(可参考图2)。
图(2) TRIAC 特性曲线图
3、Photo TRIAC Driver的种类
3.1 零点触发(Zero-Cross , ZC)
一般用于交流电源控制,例如继电器(Relay)驱动、交流开关等应用,因交流电源电压较高,在输出功率较大时,开关的瞬间会有火花产生,进而影响开关、继电器等这类有接点的设备寿命,火花会使接点碳化,导致接点阻抗升高,恶性循环的情况下,造成接点接触不良,就很容易发热,也就越容易失效。零点触发(ZC),就是在零的交越处,去驱动外部的接点,因火花产生的原因来自于电流,而电流的产生来自于有电压,又因交流电有正负周期的关系,以60Hz的交流电来说,每秒钟会有60个零交越点,在零点的时候即代表电压为0V,故此时不会有电流产生,亦即这时导通或关闭开关时,是最不容易产生火花的时候,所以零交越电路所在做的就是在零点的时候,触发开关导通。
通常会使用零点触发的目的,是为了要延长开关接点的寿命,所以在relay上应用零交越是很常用的一种设计,但是因为relay通常动作的时候激磁会有反应时间,这种时间是没办法控制的,且通常都是毫秒内,对于在零点切换几乎是不可能的事情。因TRIAC导通时间较短也较容易控制,故可用TRIAC取代relay做开关控制。
零交越的动作时序应为:
(1)触发零交越IC使TRIAC导通。
(2)Relay开启或放开。
(3)解除零交越。
因输出只在正弦波的零点才会动作或复归,可避免突波或电磁干扰(EMI)和射频干扰(RFI),特别适用于控制阻抗性、电容性和不饱和感抗性等负载,图3为操作时的波形变化。
图(3)Zero Crossing 操作时的波形变化
3.2 随机相位触发(RANDOM-PHASE , RP)
可应用于电磁阀控制、灯具整流器、交流电开关、微处理器与交流电外设的接口,固态继电器、白炽灯调光器、温度控制器及马达控制等,和过零触发的差别在于,它允许在交流正弦电压的任何一个时刻启动输出,控制TRIAC的触发角来决定输出功率,各类的调压模块或固态继电器内部作为输出触点的器件均为可控硅,而且都是依靠改变可控硅导通角来达到调压的目的,故输出的电压波形均为缺角的正弦波,因此存在高次谐波,有一定的噪声,具有较强的抗静态电压上升率(dv/dt)的能力,能够保证对感性负载的开/关控制,图4为操作时的波形变化。
图(4)Random Phase操作时的波形变化
4、静态电压上升率(dv/dt)
图5为静态dv/dt测试电路,开启待测器件(D.U.T),同时使用High Voltage Pulse Source施加足够的dv/dt,以确保在触发电流断开后,TRIAC仍保持导通状态,随后降低dv/dt,直到D.U.T关断。测量上升至0.632VPeak所需的时间τRC,然后用0.632VPeak除以τRC得到dv/dt。
图(5)静态dv/dt测试电路
以EL306X series为例,将VPeak = 600V套入公式,我们可以得到dv/dt的值。
5、Photo TRIAC Driver基本触发电路
图6为Photo TRIAC Driver基本触发电路,Photo TRIAC主要是利用输入端的红外光去触发TRIAC,其中IFT是表示驱动TRIAC所需的最小电流。以EL3031为例:当IF=15mA时,输出端会导通,即使IF下降至15mA以下时,输出端依然是导通状态,直到流过TRIAC的电流降至IH以下后,TRIAC才会断开。而当输出端电压高于TRIAC两端的正向阻断电压VDRM也会导通,另外交流常见的瞬变或噪声等,如果超过静态电压上升率dv/dt的额定值,也有可能触发TRIAC,为了防止误触,通常会加上缓冲器(Snubber circuit)。
图(6)Photo TRIAC Driver基本触发电路
若负载为电阻性负载,电路中的电压和电流同相,当电流为零,会达到零功率点,此时电压为零,TRIAC可轻易的变为OFF。若负载为电抗性(电感或电容),因电路的电压和电流异相,故TRIAC切为OFF的方式跟电阻性负载不同。考虑类似马达的电感性负载,此电路的电流落后于电压,当电流变为零,电压不为零并且施加于TRIAC两侧,此电压可能将TRIAC转为ON,造成误触发。除了电感性负载,静态电压通常伴随噪声,而其值也可能将组件转为ON。闸流体是由PN接面制成,当不导通时,这些接面具有空乏区。空乏区为绝缘体,可视为电容的介电层。这些电容会对在静态时的急遽电压改变有所反应,并且引入充电电流。而此充电电流可以当作闸极电流,并将组件转为ON,因此造成了误触发。
缓冲电路可以减少在TRIAC控制电路中的误触发。把电容抗拒电压改变的特性用在RC缓冲电路。 RC电路在TRIAC的T2 和T1间连接。缓冲电路将充电电流由非导通时的闸流体分流出来。
5.1 零点触发(Zero-Cross)
图7为零点触发(Zero-Cross)的基本触发电路,RL为阻性负载时,因电流受限于Power TRIAC的Gate触发电流(IGT),故可不须电阻R;R主要是应用在电感性负载应用中,防止TRIAC Driver可能造成的破坏。
如果限流电阻R的值过高,可能会造成TRIAC错误的相位控制,如果TRIAC在峰值电压附近进入非导通状态,并且缓冲器电容对TRIAC放电,电阻R可限制流过TRIAC Driver的电流。电阻R的计算方式:假设电压为110V有效值,最大峰值驱动电流等于1A,可以计算出R值。
R = VPeak / IPeak =110√2 / 1=155 ohm 可以选择较常用的电阻值160ohm。
RG只有在Power TRIAC或SCR的内部Gate阻抗极高时才需要,如果没有RG,抗噪性能和热稳定性会非常差,RG的阻值范围为100~500ohm,RG会增加IGT电流,而RG和R一起使用,会造成过零时间与Power TRIAC触发时间之间的非预期延迟或相移。
Power TRIAC需要特定的触发电流(IGT)和触发电压(VGT)才能使其导通,T1和T2两端点之间有最小线路电压VT,即使TRIAC Driver已被触发为导通状态。最小线路电压VT的值为触发电路中所有压降相加得到: VT=VR + VTM + VGT
电流I除了(IGT)之外,还包含了流过RG上的电流。 I = IRG+IGT
将Power TRIAC所需的Gate触发电压VGT除以RG可以得到IRG=VGT / RG
所以,I = VGT / RG+IGT,VR = I * R = (VGT / RG + IGT) * R
VGT和IGT可由Power TRIAC的规格书上得知,VTM由TRIAC Driver的规格书上得知,因此可以知道R和RG决定于VT的值。
图(7)Zero Crossing 基本电路
5.2 随机相位(RANDOM-PHASE)
在任何相位都可让输出端导通,但一样会在下一个线路电压过零处关闭,比较要注意的是,因为在任意相位都能触发,会造成瞬变电压干扰。针对Power TRIAC的选择,需要注意工作的电压以及可能会产生的浪涌电压,应选择高于耐受度高于此电压的组件,如果是白炽灯,应使用保险丝保护Power TRIAC,或使用额定值高的组件,避免峰值电流过高而损坏组件。当交流线路上产生瞬变电压干扰并超过组件静态dv/dt额定值时,会造成TRIAC Driver所触发的Power TRIAC被误触而导通,但一般情况下Power TRIAC会在下一个过零点时被关闭,大部份负载可承受这种偶发性半个周期的功率。
电感性负载(电机、电磁阀、磁体…等),对Power TRIAC和TRIAC Driver来说,因为电压和电流异相,而TRIAC会在零电流时会关掉。故当电流为零且施加的电压为高电压时,对于TRIAC来说,上升速率超过Power TRIAC的 dv/dt或者TRIAC Driver的静态dv/dt,TRIAC就会导通。为了用缓冲器电路来降低电压上升率。有时候会在Power TRIAC和TRIAC Driver都加上缓冲器,要正确的设计缓冲器,须配合电抗性负载的功率因子(PF)。
6、产品推荐
Model Type | VDRM (Vrms) | 4Pin DIP | 5Pin DIP | 6Pin DIP | SOP | 7Pin (Power Triac) |
ZC(Zero Cross) | 250V | EL303x(P5) | EL303x | |||
400V | ELT304x | EL304x(P5) | EL304x | ELM304x | ||
600V | ELT306x | EL306x(P5) | EL306x | ELM306x | ELRx213 | |
800V | ELT308x | EL308x(P5) | EL308x | ELM308x | ||
RP(Random Phase) | 250V | EL301x(P5) | EL301x | |||
400V | ELT302x | EL302x(P5) | EL302x | ELM302x | ||
600V | ELT305x | EL305x(P5) | EL305x | ELM305x | ELRx223 | |
EL3059 (High dv/dt) | ||||||
800V | EL307x(P5) |
表(8)Photo Triac产品推荐
Part Number | VDRM (V) | IT (rms) | Model Type | IFT (mA) |
ELR0213 | 600 | 0.3A | Zero Cross | 10 |
ELR1213 | 600 | 0.6A | Zero Cross | 10 |
ELR2213 | 600 | 0.9A | Zero Cross | 10 |
ELR3213 | 600 | 1.2A | Zero Cross | 10 |
ELR0223 | 600 | 0.3A | Random Phase | 10 |
ELR1223 | 600 | 0.6A | Random Phase | 10 |
ELR2223 | 600 | 0.9A | Random Phase | 10 |
ELR3223 | 600 | 1.2A | Random Phase | 10 |
表(9)Power Photo Triac产品推荐
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