双向可控硅不同象限触发方式可靠性探究.pdf

双向可控硅不同象限触发方式可靠性探究郭伟1，谢劲松1，孙晓君1，何晶靖1，石均2，姜德志2（1.北京航空航天大学可靠性工程研究所，北京100083；2.青岛海尔智能电子有限公司，山东 青岛，266072）摘要：针对双向可控硅在不同触发象限条件下的触发特性进行了实验研究，考察了可控硅在上述条件下的不同触发特性，明确了各种象限触发之间的特性差异，并重点通过对上述各种触发情况进行pspice建模，解释了实验中所观察到的可控硅在不同象限情况下存在触发特性差异的原因。为后续的不同象限触发对于可控硅的使用可靠性和寿命影响的研究提供了理论和试验依据。关键词：可控硅；触发象限；电路仿真；失效中图分类号：TN342+.2文献标识码：A文章编号：1672-5468（2008）05-0039-06TRIAC Trigger Characteristics of Different QuadrantsGUO Wei1，XIE Jin-song1，SUN Xiao-jun1，HE Jing-jing1，SHI Jun2，JIANG De-zhi2（1.Institute of Reliability Engineering，Beijing Univ of Aeronautics and Astronautics，Beijing100083，China；2.Qindao Haier Zhineng，Electronic Co.，Ltd.，Qindo 266072，China）Abstract：Triacs in different triggering quadrants conditions were studied with experiments。The different triggering characteristics in above conditions were analyzed to identify theirdifferences.By Pspice modeling，the experimental observed differences of triggeringcharacteristics in different quadrants were explained which is useful for further research oftheir impacts on the operational reliability and life time of triacs.Key words：TRIAC；triggering quadrant；circuit simulation；failure电 子 产 品 可 靠 性 与 环 境 试 验 LI R 可靠性与环境试验技术及评价8年10月第26卷 第5期Vol6 o5 Oct.,2008收稿日期：2008-06-11修回日期：2008-09-08作者简介：郭伟（1983-），男，北京人，北京航空航天大学工程系统工程系（可靠性工程研究所）硕士研究生，研究方向为可靠性工程、电子产品可靠性、故障物理。1引言在通常的家电电气负载中，例如：马达、阀门、灯管或者加热器，都需要接通或切断输送给它的功率，有些则要求输入功率能够在一定的范围内改变。使用双向可控硅（TRIAC：Tri-electrode ACswitch）的固态功率控制电路具有简单、可靠、价格低廉的优点，在负载功率变化的家电中得到广泛的应用。在双向可控硅器件的工程应用中，电路设计工程师非常了解这类器件在不同象限工作时其在电学性能特性上存在的差异。但是一个比较普通的问题是：在进行电路设计时，应该如何对工作象限进行选择？选择的依据是什么？选择了某一工作象限后，对今后电路运行的稳定性和可靠性会有何影响？所以，为最终能够回答上述问题，本文作为一 X I 39 X I 电子产品可靠性与环境试验2008年图2稳态测试触发电路（DC1和DC2均为5 V的直流电）表2可控硅象限触发特性可控硅型号第一象限第二象限第三象限触发电流（I1/mA）触发电压（V1/V）触发电流（I2/mA）触发电压（V2/V）触发电流（I3/mA）触发电压（V3/V）T830W10.000.8317.000.67（-0.03）*15.000.81SM2LZ47 4.001.065.000.66（0.09）*4.000.71（*注括号内为导通后的电压。）项前期研发项目，其研究目的就是了解可控硅的特性在不同象限触发上所存在的差异性，然后通过电路建模和仿真来解释造成这种差异的原因。按照触发电位，可控硅可以分为4个相应象限。通过观察发现，对于四象限的双向可控硅来说，在第四象限的触发需要更大的触发电流IG和触发电流的持续时间，较低的dVt/dt承受能力，以及容易使门极退化等劣势，所以目前三象限可控硅较为普及。本文在已有的文献和研究的基础上，着重于三象限可控硅的3个象限的触发，包括不同象限带来的可靠性差异进行研究，明确了可控硅在不同象限的触发机理；并且发现，可控硅在第二象限触发导通的瞬间，有着较大的反向的电压脉冲存在，这一特性对于可控硅的工作寿命潜在地存在着重大的影响。有鉴于此，本文在从触发象限的角度进行了相关方面的探索，提出了相关的数值仿真的模型并得到了验证。2不同象限触发下的可控硅工作特性本研究采用了两个不同型号的双向可控硅样品，其主要的技术参数如表1所示。由于大量的可控硅只允许在1-3象限触发（如图1所示），所以，为了便于比较，本文限于1-3象限的特性研究。2.1不同象限间的触发特性探究首先在门极电路和负载电路同为直流电的情况下，进行小功率负载不同象限的3Q可控硅触发试验研究，电路测试图如图2所示。可控硅的在不同象限下的导通特性如表2所示，可以看出：可控硅在触发电流的特性方面，第一、三象限小于二、三象限。基于上面的试验，在不同象限触发情况下，测量T1-G（门极电路）的触发瞬态电压的变化情况，考察不同象限的触发对于门极电路的影响，测试电路参照图2（T1-G之间加入了示波器测试）：结果如图3（a）-（c）所示。从图3（a）可以看出，在可控硅第一象限导通的瞬间，触发电压有一个较小的阶越上升现象出现，幅值为0.1 V左右。第二象限触发波形，从图3（b）可以看出，在可控硅第二象限导通的瞬间，触发电压有一个较大的阶越下降现象出现，并带有明显的负电压脉冲产生，在重复试验多次后，可以发现在2象限的导通时刻，均会有此现象发生。其中压降为0.7 V左图1可控硅的4个触发象限(其中MT1，MT2分别对应相应的双向可控硅的T1T2即阴极和阳极，G对应门极，VMT2和VG则对应相当于T1的电位正负)可控硅型号控制极触发电压（VGT/V）控制极触发电流（IGT/mA）通态平均电流（IT(RMS)/A）通态平均电压（UT/V）保持电流（IH/mA）控制极平均耗散功率（PG(AV）/W）T830W1.33081.4501SM2LZ47 1.51022100.3表1样品可控硅主要技术参数T2T2+T2GG+4Q onlyT2GG-T2GGA1A2T2T2GDC2DC140 X I 第5期右，负脉冲幅值为1.3 V。第三象限触发波形，从图3（c）可以看出在第三象限导通的瞬间，触发电压有较小的阶越上升现象，其中上升为0.1 V左右。在瞬态的波形图中，可以观察到，一、三象限的触发瞬间没有明显的脉冲波形，而在二象限有着较大的脉冲波形，而这种脉冲对于电路的正常工作会产生不利的影响。3脉冲及其时间变化率对器件可靠性的影响为了测试双向可控硅在大的脉冲下所出现的误导通情况，样品选择方面选择了双向可控硅作为实验样品进行了如下的实验项目，电路图参照图4所示，触发波形和测试波形如图5所示。通过上述实验的波形比对，可以初步的的得到以下结论：a）电压过电压会造成可控硅非正常导通，但在电流受到限制的情况下，不会造成器件的损坏。如图1（a）所示，T2、T1间的脉冲电压当dV/dt较小时，不会产生T2、T1间的非正常导通的现象的发生，但是当增大相应的dV/dt后，达到额定的载荷后，T2、T1间就会发生非正常导通的现象。b）电流电流是触发可控硅，使可控硅导通，以及造成可控硅失效的直接原因。当维持临界导通的dV/dt时，但是一旦串入相应的限流电容后，T2、T1间就会发生的非正常导通的现象便不再发生。所以说，相应的电压的时间变化率dV/dt在可控硅器件断开时通过其自身的电容产生电流，当此电流达到临界值时，导致器件非正常触发。c）电流的时间变化率过高的di/dt造成器件内部局部受热，是造成器件可靠性问题的另外一个原因。（a）T2-T1之间的电压脉冲波形郭伟等：双向可控硅不同象限触发方式可靠性探究图3可控硅不同象限下导通的瞬态特征曲线（200 mV/div）（c）第三象限导通曲线图4测试电路（a）第一象限导通曲线00.72 V0.81 V00.75 V0.83 V（b）第二象限导通曲线0.67 V-0.68 V041 X I 电子产品可靠性与环境试验2008年4不同象限恒定触发条件下的可靠性比较不同象限恒定触发条件下的可靠性比较实验，试验电路如图6所示。从如上的试验可以看出，第2象限触发会伴随有正反向电流脉冲，这与实际电路中测量到的结果一致，如图7所示。这一结果表明：实际电路中控制端所发现的电压电流脉冲与主干道的交变电流没有直接的联系，其本质原因是由于交变电流带来的触发象限的变化所致。2象限触发在理论上必然要伴随T2-G之间以及T2-T1之间电流的重新分配，从而导致控制端的正反向电压电流脉冲，这样会导致控制极的击穿，如图8所示，这一理论解释通过数值仿真得以验证。其中寿命疲劳失效如表3所示。（c）二象限的导通时刻的G-T1的触发波形图7测试波形和各象限导通后的波形（d）T2-T1键串联电容未触发图5触发波形和测试波形（b）T2-T1之间的未导通电流脉冲（c）T2-T1之间的导通电流脉冲波形（a）T2T1之间的实际半波示意图（b）一、三象限导通的G-T1的触发图6实际负载的测试电路T1-T2间功率半波输入电流（RMS）3.00 A触发电流0.15 A恒定T1/T2T2/T10.75 V0.75 V42 X I 第5期5基于PSPICE的可控硅不同象限触发的数值仿真5.1可控硅的触发建模为了说明可控硅在触发瞬态产生电压阶越的具体原因，更好地分析触发机理和触发机制，建立相应的可控硅模型，基于以下的试验数据，进行双向可控硅的器件的电路仿真工作，测量了实际器件的电路参数，如表4、图9所示。在下面的仿真的数值电路中，将T1-G之间等效成2个反向并联的二极管，控制T1-G的触发电流的方向，其它节点按照测量电阻大小结果线性接入，负载为小功率电路中的实际功率电阻。得到以下的电路仿真模型，分为1、2象限，测量在模拟电路的导通瞬间的T1-G之间的相对电位变化，此电路仿真的目的在于解释在触发瞬间产生的电压的阶越上升/下降的问题。5.2仿真结果与实验结果的比较从一，二象限模拟的具体结果来看（如图10所示），模型的导通时刻的电压变化基本与试验测量的结果保持一致。验证了双向可控硅建模的正确性，说明其中所产生电压的变化实际上是由于T1-G之间和T1-T2之间在电流平衡过程中的重新分配的结果。6结束语虽然可控硅有很多优点，但是相对来说它承受过电压和过电流的能力较差，较短时间的过电压和过电流就会使器件损坏。为保护可控硅能长期可靠地运行，除充分留有余地、合理选择可控硅外，还必须针对过电压和过电流发生的原因采取适当的保护措施，郭伟等：双向可控硅不同象限触发方式可靠性探究图8 T1-G出现的击穿现象表3各象限在大电流下失效的失效时间和失效表象触发象限123失效时间（t/min）15-203-415左右失效模式T1-G击穿成阻性T1-T2击穿成阻性T1-G击穿成阻性表4可控硅的电路模型参数可控硅型号电容*（C/pF）导通电阻（R1/）T2-G间导通电阻（R2/）dV/dt（max）估计触发电流（I/mA）di/dt（max）MAC97A8201.65-30 V/s0.650 A/sT830W1200.0420300 V/s3650 A/sSM2LZ47200.67270500 V/s1050 A/s（注：非导通状态下的电容采用LCR表在测出（在1图9双向可控硅的pspice仿真模型T2T1G（a）一象限仿真模型与结果（100 mV/div）D31R30.04R520V1T1R4D22V2505VdcGR81000.71 V0.81 V（b）二象限仿真模型与结果（200 mV/div）图10可控硅不同象限的触发原理和数值仿真1R30.04R420V3T1D22V205VdcGR81000.72 V0.17 VR55D310 M的频率下），T1-T2间的导通电阻由SPEC给出，同时可以在测量中得到。T2-G之间的电阻由PSPICE电路近似地由测量值估算。）43 X I 电子产品可靠性与环境试验2008年罗门哈斯电子材料公司（ROH：Rohm and Haas Elec-tronic Materials）宣布，其新型化学机械研磨垫表面沟槽设计能够减少缺陷和研磨液的用量，现已迅速得到全球各地市场的认可。全球各地的客户现在开始采用这些能显著地改善工艺性能的新型表面沟槽设计，以降低缺陷，延长研磨垫的使用寿命，减少化学机械研磨易耗品的总体成本。该设计方案现已应用于罗门哈斯公司90 nm工艺节点及更精密节点的IC1000TMAT化学机械研磨垫，多家客户目前还在VisionPadTM系列化学机械研磨垫上测试这款能够减少缺陷的表面沟槽设计方案。同时，台湾集成电路制造商和其他客户的测试结果符合预期目标，研磨液消耗量减少了30%，但研磨性能依然优异。这个能够减少缺陷的表面沟槽设计的创新特色就是一个面积不变的螺旋图样，已针对晶圆规模和表面沟槽规模的流体力学进行了优化。这一设计方案有效地消除了晶圆上的局部压力，最大限度地减少了刮痕和缺陷，缺陷率最多可降低50%。另一款表面沟槽设计以专门的流动试验和计算流体模型为基础，能够减少研磨液用量，使金属工艺中易耗品的成本减少30%以上。要想达到这样的性能，就得让更多研磨液到达晶圆的前缘，提高研磨垫和晶圆之间空隙内研磨液的利用率，并在给定的研磨去除率条件下降低对研磨液流速的要求。罗 门 哈 斯 公 司 的 新 型 表 面 沟 槽 设 计 可 用 于 各 类VisionPad和IC1000 AT垫产品，还可根据客户要求和现有易耗品装置或在理想的工艺条件下进行定制。（本刊讯）信 息 与 动 态!罗门哈斯公司依靠能够减少缺陷和研磨液用量的化学机械研磨垫表面沟槽设计，大力拉动市场需求这样就设计到了可控硅外围电路的具体设计以及象限的选择。从上面所进行的研究中，我们发现，对于双向可控硅来说，在不同的象限有具体的触发电压、电流以及在触发时刻所产生的触发脉冲，并有一定的差异，进而在实际的电路中，对工作象限的选择就存在一定的差异。可以得到如下结论：a）双向可控硅在1、3象限的触发电流较第二象限要小，且平稳性要高。b）应取消不必要的恒定电流触发设计而改用脉冲电流触发设计，以有效地减少器件的累计受载时间。c）2象限触发会伴随有正反向电流脉冲，这与实际电路当中测量到的结果一致。这一结果表明：实际电路中控制端所发现的电压电流脉冲与主干道的交变电流没有直接的联系，其本质原因是由于交变电流带来的触发象限的变化所致。d）2象限触发在理论上必然要伴随T2-G之间以及T2-T1之间电流的重新分配，从而导致控制端的正反向电压电流脉冲，这一理论解释通过数值仿真得以验证。e）在触发所需的脉宽条件上的实验结果显示：1象限触发所需要的电流脉冲时间最短，而2、3象限在触发脉宽上没有明显的差别。参考文献：1第一机械工业部情报所.大功率可控硅元件制造文集M.北京：机械工业出版社，1973.2黄继昌.电子元器件应用手册M.北京：北京人民邮电出版社，2004.3艾斌.双向可控硅的触发J.达县师范高等专科学校学报，2000，10（2）：39-39.4李树良，赵善麒.双向晶闸管通态电压特性曲线分析J.半导体技术，2000，25（1）：29-30.6 孔学东，恩云飞.电子元器件失效分析与典型案例M.北京：国防工业出版社，2006.7 RAONICDM.TRIACSSelf-SuppliedGateDriverfor Medi-um-Volta Application with Capacitor as Storage ElementJ.IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICA-TIONS，2000，36（1）：212-216.8 HU Ai-jun，SHEN Fei，PH D，et al.Professor，Zero-Cross Triggering Technology of SeriesTRIACSs with Opti-cal Fiber at Medium Voltage:Application for ThyristorSwitched Capacitor C/2005 IEEE/PES Transmissionand DistributionConference&Exhibition:Asia and PacificDalian，China，1-5.9 WONG S C，LIN H C.A INPROVED MODEL FOR TRI-ACS TRIAC C/Electrical Etrgincvriiig Drpartinent Uni-versi ty of Mariland College Park，Mariland，629-632.10 DAVIS R M，DOWNING B R.Zero-voltage Detection inThyristor and Triac Convertors J.ELECTRONICS LET-TERS，1973，9（12）：267-268.11LAWRENCE J.GIACOLETTO，Simple TRIACS andTRIAC PSPICE Computer Models J.IEEE TRANSAC-TIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS，1989，36（3）：451-455.12 Jr.Nick Holonyak.The Silicon p-n-p-n Switch and Con-trolled Rectifier（thyristor）J.IEEE TRANSACTIONSON POWER ELECTRONICS，2001，16（1）：8-16.44