三象限與四象限在產(chǎn)品性能上、應用范圍上有何區(qū)別呢？

   家電中的電氣負載，例如馬達、閥門、燈管或者加熱器等等，都需要接通或切斷送給它的功率，有些則要求輸入功率能夠在一定范圍內(nèi)改變，使用雙向可控硅(TRIAC:Tri-electrode AC switch)的固態(tài)功率控制電路具有簡單、可靠、價格低廉的優(yōu)點，在負載功率變化的家電中得到廣泛的應用。但是用普通的Triac控制感性負載會出現(xiàn)不受控的情況，而新的三象限 Triac 解決了普通 Triac 使用時出現(xiàn)的問題。

 用相位控制來改變功率

  家電中的馬達不論是分段調(diào)節(jié)或者是連續(xù)調(diào)節(jié)，大都采用串聯(lián)式交流馬達?？梢杂秒娮愚D(zhuǎn)速控制電路來提高平均驅(qū)動電壓，以維持較穩(wěn)定的輸出速度。對于要求成本低的系統(tǒng)，使用Triac的相位控制電路是個很好的方案。

  正確地設(shè)計相位控制電路、正確地選用Triac，就可以實現(xiàn)可靠、簡單、經(jīng)濟的控制電路。圖1是一個簡單的例子，其中只用了6個元件：一只Triac、兩個電阻器、一個電容器、用于觸發(fā)Triac的雙向觸發(fā)二極管(DIAC,DI-electrode AC switch)，以及用于設(shè)定觸發(fā)延遲時間的可變電阻器，圖中沒有為滿足EMC要求所需要的濾波元件。

  圖1中的100nF電容器通過固定與可變電阻器充電到二極交流開關(guān)的擊穿電壓，大約為32V。加在Triac控制極上的電流脈沖觸發(fā)Triac使之在隨后的半個交流電周期中導通，在電源為正半周時，這個過程重復發(fā)生，圖中10kΩ的電阻器用來避免過高的電流流到100nF電容器而造成損壞，1MΩ的可變電阻器的作用是控制電容器的充電速度，從而改變觸發(fā)脈沖的相位角，控制負載上的平均功率。

  要確保正確地進行觸發(fā)，在IGT處在最高電平的時間最少為10μs，這是由47Ω電阻器來做到的，它限制了振幅，同時延長控制極上脈沖延續(xù)的時間，控制極電流脈沖的幅度至少要等于Triac 額定的IGT 最大值以確保正確地觸發(fā)。

  相位控制電路也廣泛地用于電燈的亮度調(diào)節(jié)。這個電路可以用于電阻性負載，也可以被用到電感性負載上。這兩種負載對 Triac 的要求有很大的差別，因此必須針對不同的情況正確地選擇 Triac。圖2是負載為電阻性與電感性時的波形。

 對 Triac 來說，電阻性負載時容易控制的，因為：

  1 、負載上電流的波形與輸入電壓的波形相同，因此 Triac 的換向時電流的變化速度 dI/dt 相當和緩；

  2、電壓與電流波形相位相同，因此換向后的電壓上升變化(dV/dt)相當和緩，理論上換向時電壓變化率 dV/dt為：

 對于230V的50Hz正弦波來說，dV/dt 的數(shù)值僅0.1V/s。利用IRMS，這個公式也可以用來計算 dI/dt。然而，對于電感性負載，問題就不這么簡單：

  1、由于負載電流的波型與輸入電壓不同，而且電感性負載會抗拒電流的任何改變，因此上升緩慢，引起波峰出現(xiàn)時間延遲，但是回到 0 則很快，dI/dt 相當高，結(jié)果，在它試圖回到阻斷狀態(tài)時，移動載流子會越來越多地集中到 Triac 中的結(jié)上。如果集中程度很高的話，這些載流子就會流到 Triac 結(jié)，它起作用猶如控制極觸發(fā)電流，這是我們不想要的，它會在阻斷電壓升高時自動地使 Triac 導通。在下面我們將會談到，某些需求很大的電路可能會產(chǎn)生很大的dI/dt，在需要阻斷上升速度為 0.1V/s 這么緩慢的 230V 50Hz 正弦波時，會妨礙 Triac 進行換向。

  2、 在電壓波形與電流波形之間存在相移，電流在相位上落后于電壓，當負載電流穿越 0、而且 Triac 換向時，它的阻斷電壓一定會迅速上升到電源電壓的電平，它只受到電路中的電容器與 Triac 結(jié)電容的限制。電壓變化率(dV/dt) 很高時，會使得剩下的移動載流子集中到 Triac 結(jié)，形成我們并不需要的觸發(fā)電流。

  任何標準的 Triac 都能夠成功地控制電阻性負載。然而，在用標準的 Triac 來控制電感性負載時，如果要避免不受控的情況出現(xiàn)，就必須增加一些保護元件。這些元件是：跨接 Triac 的電源兩端的電阻器與電容器串聯(lián)的阻尼電路，它能夠限制電壓變化率 dV/dt；在負載上串聯(lián)一個幾豪亨的非飽和電感器，在 Triac 遇到問題時它能夠限制電流變化率 dI/dt。

  這些額外的元件會增大體積，增加成本。在許多情況下它們甚至會使 Triac 受到過大的電流沖擊，因而降低電路長期使用的可靠性。例如，如果阻尼電路設(shè)計不當，其中的電阻過低(低于 100Ω)，每當 Triac 在阻斷時的高電壓下觸發(fā)時可能造成過大的 Triac 峰值電流、過高的電流變化率(dI/dt)。這些過大的電流、過高的電流變化率重復出現(xiàn)的話，在導開始導通的區(qū)域，在有的部位電流會太大的，從而逐漸降低控制極的可靠性。結(jié)果是：使用時間越久，控制極的靈敏度越低，最后永遠無法觸發(fā)。從成本、尺寸以及可靠性的角度來看，解決這個問題最好的方法是減小保護元件的尺寸，甚至完全不要。用三象限的雙向可控硅(3Q-Triac)就可以做到這點。

3+觸發(fā)象限(T2-.G+)的局限性

  Triac 可以看做是坐在一塊硅片上的兩只背靠背的閘流體，它們共用一個控制極。最早的標準 Triac 是一個四象限元件，控制極的電流是正的或者是負的，MT2 極的電壓為正或者為負，這四種可以任意組合。圖3所示是觸發(fā)象限及正確的術(shù)語。

  四象限Triac 在3+象限的觸發(fā)時通過在控制極區(qū)域加入重疊作用，它使主端點1 提供電子以觸發(fā) G-MT1 范圍內(nèi)的閘流管，接著導通狀態(tài)由從這個中間狀態(tài)擴展到主閘流管上。然而，在這個觸發(fā)模式下，載流子的流動與現(xiàn)存的 1-to-3 換向(TM2 為正與 TM2 為負)非常相似。因此在負載大時，1-to-3 換向很有可能被誤認為是正確的 3+ 觸發(fā)信號。也就是說，Triac 在 3+ 象限的觸發(fā)能力會受換向效能所影響，從而降低對誤導通與失控的防護能力。

四象限到三象限 Triac 的改進

  三象限 Triac 中，去掉了控制極重疊的功能，這樣移除可以讓它能夠在高電壓(dV/dt)以及電流(dI/dt)變動的情況下轉(zhuǎn)向，如果有的話，這個做法有的一點缺點是完全失去了任何的 3+ 觸發(fā)能力，不過對大部分的應用來說這并不重要，因為在 3+ 象限的運作通常會因為 Triac 的更低靈敏度、更差的導通效能以及更低許可的負載電流變化(dIT/dt)而避免。

  3+ 象限(象限 4 )為所有象限中最不常被使用的，例如圖二中離散式相位控制電路中的自動觸發(fā)線路會自動地在 1+ 與 3- 象限中運作，同時，由邏輯晶片或微控制器所提供的單向觸發(fā)脈沖控制線路通常是以吸入(sink)閘極電流的方式設(shè)計，因為這比提供電流要容易地多，因此 Triac 會在 1- 與 3- 象限間運作，依循設(shè)計者指定的方式，輕易地避開 3+ 象限。

其他能夠幫助三象限 Triac 將轉(zhuǎn)向能力最佳化的附加功能包括：

  兩個非平行閘流體分開安排，以及降低其中一半轉(zhuǎn)向時對另一半的影響。

  對射極短路徑的布局與阻抗予以最佳化來限制電晶體的放大率，同時快速且安全地將移動電荷載體導開，避免它們在轉(zhuǎn)向時造成不必要的閘極驅(qū)動電流。

  除了電壓變化(dV/dt)以及電流變化(dI/dt)的好處之外，三象限 Triac 的優(yōu)點還包括阻斷電壓高速變化(dVd/dt)更佳的免役能力，以及在最靈敏狀態(tài)下高溫時更佳的控制能力。

  溫度與 Triac 靈敏度的關(guān)系：基本上，在溫度較高的環(huán)境中，無可避免地 Triac 會變得越來越靈敏，它變得容易被導通，不管是透過外加閘極電流的蓄意動作，或者是意外由內(nèi)部產(chǎn)生的漏電流或電容耦合電流所引起，如果 Triac 的接面溫度超過了額定溫度的最大值(Tj Max)，那么就可能會達到內(nèi)部漏電流大到足以讓 Triac 導通的溫度，這個錯誤的情況代表了完全的失控，三象限 Triac 將會比同級四象限 Triac 在高溫時更容易維持較佳的控制狀態(tài)，我們將在稍后說明。

  觸發(fā)電流(IGT)與轉(zhuǎn)向性的權(quán)衡；靈敏度較高的 Triac 雖然比較容易導通，但是也比較容易被誤導通，也就是說，以相同的技術(shù)而言，擁有最低觸發(fā)電流(IGT)的最靈敏 Triac 對錯誤觸發(fā)的免役力也最低，因此轉(zhuǎn)向的效能表現(xiàn)也最差，我們可以得到這樣的結(jié)論：轉(zhuǎn)向效能與閘極電流大小成正比或者也可以說轉(zhuǎn)向效能與靈敏度成反比，因為高靈敏度也就等于低閘極電流 IGT。

  對相同靈敏度而言，三象限 Triac 同時也提供了比四象限 Triac 更好的轉(zhuǎn)向表現(xiàn)。在為應用選擇三象限 Triac 時，設(shè)計者必須要在靈敏度以及失控免役力之間做最好的權(quán)衡，并盡可能地采用二極交流開關(guān)來做觸發(fā)電路，并選擇擁有最高觸發(fā)電流(IGT)的最差靈敏度 Triac，同時指定最佳的轉(zhuǎn)向效能，當驅(qū)動電路能夠吸入的閘極電流有所限制時，應該選用擁有最高閘極電流的 Triac 以便讓驅(qū)動電流能夠正確地動作，基本上，在驅(qū)動電路能夠在沒有太大困難情況下吸入更多閘電流時，自動指定擁有最高靈敏度的 Triac 并不是一個好的做法。

  3Q 與4Q Triac(三象限與四象限)轉(zhuǎn)向特性之間的比較

  三象限與四象限 Triac 在放到轉(zhuǎn)向特性測試儀器下，比較 Tj=125℃ 時最大的電流變化(dI/dt)與電壓變化(dV/dt)能力，圖4為比較結(jié)果，使用的測試元件為：

  整流電感性負載代表更高的電流變動(dI/dt)：整流后的電感性負載為控制用 Triac 轉(zhuǎn)向特性最嚴苛的要求之一，當供應電壓趨近于 0 時，如果低于點感性負載所產(chǎn)生的電壓將會到達一個交叉點，當負載電流在橋式整流二極體上產(chǎn)生飛輪現(xiàn)象時，橋式整流器交流端的電流會快速降到 0，而 Triac 上的高電流變化(dI/dt)只受橋式結(jié)構(gòu)交流端的寄生電感所限制，這將會造成大部分的四象限 Triac 以及部分較為靈敏三象限 Triac 的轉(zhuǎn)向可靠度變差，較為靈敏的四象限 Triac 甚至將無法在 230V 50M 正弦波的 0.1V/s 由 0 電壓開始上升時正確轉(zhuǎn)向，此時就算是加上緩沖電路也無濟于事，因為電壓變動率(dV/dt)已經(jīng)很低了。

  解決這個問題的一個方法是加上串聯(lián)的非飽和電感來限制電流變化(dI/dt)到 Triac 能夠轉(zhuǎn)向的程度，同時也需要一個 RC 緩沖電路來延緩任何可能造成的過度電壓變化(dV/dt)，并且?guī)椭?Triac 來忍受電流的變化(dI/dt)。

  較好的解決方法則是采用擁有最高閘極電流(IGT)以及最佳轉(zhuǎn)向表現(xiàn)的三象限 Triac，因此我們可以省下所有的保護元件，同時保證能在到達額定最高接面溫度前正確地運轉(zhuǎn)，也就是說，三象限雙向是唯一可行的選擇。

實際應用舉例：整流的小型家電用馬達

  圖 6A 中為一個相位控制的整流直流永磁式馬達，通常使用在小型的手握式廚房設(shè)備中，我們采用在稍早轉(zhuǎn)向性測試中使用的 Triac 元件到實際應用上測試，接面溫度(Tj)為 125℃。

  在圖 5B 中我們可以看到四象限 Triac 轉(zhuǎn)向失效的情況，在轉(zhuǎn)向時的高電流變化(dI/dt)可以看做是持續(xù)通過 0 點，而不需 Triac 的阻斷電壓。在負載上串連 4m 亨利(Henry)的電感能夠把電流變化延緩，使得四象限 Triac 能夠轉(zhuǎn)向，請見圖 5C。

  圖 5D 則顯示出三象限 Triac 能夠在沒有任何保護元件幫助的情況下成功轉(zhuǎn)向。

  圖 6 則為兩種 Triac 形式的電壓變化(dV/dt)與電流變化(dI/dt)相對圖。

  高溫測試：在整流直流 PM 馬達電路中測試的 Triac 會在一個電壓點截止，但溫度會在一直上升直到 Triac 失控為止，也就是轉(zhuǎn)向失效，失效發(fā)生點的溫度越高，就代表 Triac 的轉(zhuǎn)向特性越佳，所有測試的 Triac 都采用 8A、600V規(guī)格以便比較，轉(zhuǎn)向失效溫度請見表一，在這里，加入了三象限 Triac 的較靈敏例子以便表示轉(zhuǎn)向特性與溫度變化的關(guān)系，在這個測試中電路造成的轉(zhuǎn)向情況為：dI/dt=8.52A/mS 與 dV/dt=20V/μS

  從結(jié)果中可以輕易看出三象限 Triac 比起傳統(tǒng)四象限技術(shù)的好處，靈敏度最差的三象限 Triac 在 200℃ 測試時對失效控制的免役程度還是相當?shù)母?，下一段的靜態(tài)電壓變化(dV/dt)測試將會進一步加強這一個論點。

  200℃為熱度在安全溫度保險絲燒斷前所能達到的最高溫度，因此不可能達到 Triac 的轉(zhuǎn)向失效溫度。

  200℃比額定 125℃ 接面溫度要高得多，因此 200℃ 的成功測試并不代表三象限 Triac 能夠常常處在 125℃的溫度之上，因為如果工作接面溫度常常超過額定值的話，將會降低元件的長期可靠度以及使用壽命。

  三象限與四象限 Triac 靜態(tài)電壓變化(dV/dt)的比較：在轉(zhuǎn)向特性比較中所使用的相同 Triac 同時也用來測試電壓變化的比較，結(jié)果如圖 7：

總結(jié)：

與傳統(tǒng)四象限 Triac 比較時，在較嚴苛的情況下運作時，新型的三象限 Triac 對誤動作導通以及失控上擁有較佳的免役性，這些情況包括：

◇非線性或反動式負載，會在 Triac 上造成高電壓變化(dv/dt)與電流變化(dI/dt)

◇接近最高接面溫度時的高溫運作，這時 Triac 會變得更靈敏且更容易失控

◇在阻斷狀態(tài)時，高雜訊電路會在 Triac 上造成高電壓變化(dVD/dt)

對家電制造商的好處

 三象限 Triac 的強化效能為 OEM 廠商帶來下列的好處：

 ◇可以節(jié)省或精簡傳統(tǒng)四象限 Triac 穩(wěn)定運作時所必須的保護或緩沖電路及電感

 ◇電路更簡化

 ◇電路更精簡

 ◇整體系統(tǒng)成本更低

 ◇失控的免役程度更高

 ◇由于去除了會對 Triac 形成壓力的保護元件，因此擁有更長效的可靠度。
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