三象限與(yu) 四象限在產(chan) 品性能上、應用範圍上有何區別呢？
文章來源：中國可控矽 https://www.kkg.com.cn
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範圍內(nei) 改變，使用华体会体育沃尔夫斯堡(TRIAC:Tri-electrode AC switch)的固態功率控製電路具有簡單、可靠、價(jia) 格低廉的優(you) 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控製感性負載會(hui) 出現不受控的情況，而新的三象限 Triac 解決(jue) 了普通 Triac 使用時出現的問題。
用相位控製來改變功率
家電中的馬達不論是分段調節或者是連續調節，大都采用串聯式交流馬達。可以用電子轉速控製電路來提高平均驅動電壓，以維持較穩定的輸出速度。對於(yu) 要求成本低的係統，使用Triac的相位控製電路是個(ge) 很好的方案。
正確地設計相位控製電路、正確地選用Triac，就可以實現可靠、簡單、經濟的控製電路。圖1是一個(ge) 簡單的例子，其中隻用了6個(ge) 元件：一隻Triac、兩(liang) 個(ge) 電阻器、一個(ge) 電容器、用於(yu) 觸發Triac的雙向觸發二極管(DIAC,DI-electrode AC switch)，以及用於(yu) 設定觸發延遲時間的可變電阻器，圖中沒有為(wei) 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(yu) 可變電阻器充電到二極交流開關(guan) 的擊穿電壓，大約為(wei) 32V。加在Triac控製極上的電流脈衝(chong) 觸發Triac使之在隨後的半個(ge) 交流電周期中導通，在電源為(wei) 正半周時，這個(ge) 過程重複發生，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製電容器的充電速度，從(cong) 而改變觸發脈衝(chong) 的相位角，控製負載上的平均功率。
要確保正確地進行觸發，在IGT處在最高電平的時間最少為(wei) 10μs，這是由47Ω電阻器來做到的，它限製了振幅，同時延長控製極上脈衝(chong) 延續的時間，控製極電流脈衝(chong) 的幅度至少要等於(yu) Triac 額定的IGT 最大值以確保正確地觸發。
相位控製電路也廣泛地用於(yu) 電燈的亮度調節。這個(ge) 電路可以用於(yu) 電阻性負載，也可以被用到電感性負載上。這兩(liang) 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(wei) 電阻性與(yu) 電感性時的波形。
對 Triac 來說，電阻性負載時容易控製的，因為(wei) ：
1 、負載上電流的波形與(yu) 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(yu) 電流波形相位相同，因此換向後的電壓上升變化(dV/dt)相當和緩，理論上換向時電壓變化率 dV/dt為(wei) ：
對於(yu) 230V的50Hz正弦波來說，dV/dt 的數值僅(jin) 0.1V/s。利用IRMS，這個(ge) 公式也可以用來計算 dI/dt。然而，對於(yu) 電感性負載，問題就不這麽(me) 簡單：
1、由於(yu) 負載電流的波型與(yu) 輸入電壓不同，而且電感性負載會(hui) 抗拒電流的任何改變，因此上升緩慢，引起波峰出現時間延遲，但是回到 0 則很快，dI/dt 相當高，結果，在它試圖回到阻斷狀態時，移動載流子會(hui) 越來越多地集中到 Triac 中的結上。如果集中程度很高的話，這些載流子就會(hui) 流到 Triac 結，它起作用猶如控製極觸發電流，這是我們(men) 不想要的，它會(hui) 在阻斷電壓升高時自動地使 Triac 導通。在下麵我們(men) 將會(hui) 談到，某些需求很大的電路可能會(hui) 產(chan) 生很大的dI/dt，在需要阻斷上升速度為(wei) 0.1V/s 這麽(me) 緩慢的 230V 50Hz 正弦波時，會(hui) 妨礙 Triac 進行換向。
2、在電壓波形與(yu) 電流波形之間存在相移，電流在相位上落後於(yu) 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(hui) 迅速上升到電源電壓的電平，它隻受到電路中的電容器與(yu) Triac 結電容的限製。電壓變化率(dV/dt) 很高時，會(hui) 使得剩下的移動載流子集中到 Triac 結，形成我們(men) 並不需要的觸發電流。
任何標準的 Triac 都能夠成功地控製電阻性負載。然而，在用標準的 Triac 來控製電感性負載時，如果要避免不受控的情況出現，就必須增加一些保護元件。這些元件是：跨接 Triac 的電源兩(liang) 端的電阻器與(yu) 電容器串聯的阻尼電路，它能夠限製電壓變化率 dV/dt；在負載上串聯一個(ge) 幾豪亨的非飽和電感器，在 Triac 遇到問題時它能夠限製電流變化率 dI/dt。
這些額外的元件會(hui) 增大體(ti) 積，增加成本。在許多情況下它們(men) 甚至會(hui) 使 Triac 受到過大的電流衝(chong) 擊，因而降低電路長期使用的可靠性。例如，如果阻尼電路設計不當，其中的電阻過低(低於(yu) 100Ω)，每當 Triac 在阻斷時的高電壓下觸發時可能造成過大的 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複出現的話，在導開始導通的區域，在有的部位電流會(hui) 太大的，從(cong) 而逐漸降低控製極的可靠性。結果是：使用時間越久，控製極的靈敏度越低，最後永遠無法觸發。從(cong) 成本、尺寸以及可靠性的角度來看，解決(jue) 這個(ge) 問題最好的方法是減小保護元件的尺寸，甚至完全不要。用三象限的华体会体育沃尔夫斯堡(3Q-Triac)就可以做到這點。
3+觸發象限(T2-.G+)的局限性
Triac 可以看做是坐在一塊矽片上的兩(liang) 隻背靠背的閘流體(ti) ，它們(men) 共用一個(ge) 控製極。最早的標準 Triac 是一個(ge) 四象限元件，控製極的電流是正的或者是負的，MT2 極的電壓為(wei) 正或者為(wei) 負，這四種可以任意組合。圖3所示是觸發象限及正確的術語。
四象限Triac 在3+象限的觸發時通過在控製極區域加入重疊作用，它使主端點1 提供電子以觸發 G-MT1 範圍內(nei) 的閘流管，接著導通狀態由從(cong) 這個(ge) 中間狀態擴展到主閘流管上。然而，在這個(ge) 觸發模式下，載流子的流動與(yu) 現存的 1-to-3 換向(TM2 為(wei) 正與(yu) TM2 為(wei) 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(wei) 是正確的 3+ 觸發信號。也就是說，Triac 在 3+ 象限的觸發能力會(hui) 受換向效能所影響，從(cong) 而降低對誤導通與(yu) 失控的防護能力。
四象限到三象限 Triac 的改進
三象限 Triac 中，去掉了控製極重疊的功能，這樣移除可以讓它能夠在高電壓(dV/dt)以及電流(dI/dt)變動的情況下轉向，如果有的話，這個(ge) 做法有的一點缺點是完全失去了任何的 3+ 觸發能力，不過對大部分的應用來說這並不重要，因為(wei) 在 3+ 象限的運作通常會(hui) 因為(wei) 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(wei) 所有象限中最不常被使用的，例如圖二中離散式相位控製電路中的自動觸發線路會(hui) 自動地在 1+ 與(yu) 3- 象限中運作，同時，由邏輯晶片或微控製器所提供的單向觸發脈衝(chong) 控製線路通常是以吸入(sink)閘極電流的方式設計，因為(wei) 這比提供電流要容易地多，因此 Triac 會(hui) 在 1- 與(yu) 3- 象限間運作，依循設計者指定的方式，輕易地避開 3+ 象限。
其他能夠幫助三象限 Triac 將轉向能力最佳化的附加功能包括：
兩(liang) 個(ge) 非平行閘流體(ti) 分開安排，以及降低其中一半轉向時對另一半的影響。
對射極短路徑的布局與(yu) 阻抗予以最佳化來限製電晶體(ti) 的放大率，同時快速且安全地將移動電荷載體(ti) 導開，避免它們(men) 在轉向時造成不必要的閘極驅動電流。
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(you) 點還包括阻斷電壓高速變化(dVd/dt)更佳的免役能力，以及在最靈敏狀態下高溫時更佳的控製能力。
溫度與(yu) Triac 靈敏度的關(guan) 係：基本上，在溫度較高的環境中，無可避免地 Triac 會(hui) 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(nei) 部產(chan) 生的漏電流或電容耦合電流所引起，如果 Triac 的接麵溫度超過了額定溫度的最大值(Tj Max)，那麽(me) 就可能會(hui) 達到內(nei) 部漏電流大到足以讓 Triac 導通的溫度，這個(ge) 錯誤的情況代表了完全的失控，三象限 Triac 將會(hui) 比同級四象限 Triac 在高溫時更容易維持較佳的控製狀態，我們(men) 將在稍後說明。
觸發電流(IGT)與(yu) 轉向性的權衡；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，以相同的技術而言，擁有最低觸發電流(IGT)的最靈敏 Triac 對錯誤觸發的免役力也最低，因此轉向的效能表現也最差，我們(men) 可以得到這樣的結論：轉向效能與(yu) 閘極電流大小成正比或者也可以說轉向效能與(yu) 靈敏度成反比，因為(wei) 高靈敏度也就等於(yu) 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 更好的轉向表現。在為(wei) 應用選擇三象限 Triac 時，設計者必須要在靈敏度以及失控免役力之間做最好的權衡，並盡可能地采用二極交流開關(guan) 來做觸發電路，並選擇擁有最高觸發電流(IGT)的最差靈敏度 Triac，同時指定最佳的轉向效能，當驅動電路能夠吸入的閘極電流有所限製時，應該選用擁有最高閘極電流的 Triac 以便讓驅動電流能夠正確地動作，基本上，在驅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 並不是一個(ge) 好的做法。
3Q 與(yu) 4Q Triac(三象限與(yu) 四象限)轉向特性之間的比較
三象限與(yu) 四象限 Triac 在放到轉向特性測試儀(yi) 器下，比較 Tj=125℃ 時最大的電流變化(dI/dt)與(yu) 電壓變化(dV/dt)能力，圖4為(wei) 比較結果，使用的測試元件為(wei) ：
整流電感性負載代表更高的電流變動(dI/dt)：整流後的電感性負載為(wei) 控製用 Triac 轉向特性最嚴(yan) 苛的要求之一，當供應電壓趨近於(yu) 0 時，如果低於(yu) 點感性負載所產(chan) 生的電壓將會(hui) 到達一個(ge) 交叉點，當負載電流在橋式整流二極體(ti) 上產(chan) 生飛輪現象時，橋式整流器交流端的電流會(hui) 快速降到 0，而 Triac 上的高電流變化(dI/dt)隻受橋式結構交流端的寄生電感所限製，這將會(hui) 造成大部分的四象限 Triac 以及部分較為(wei) 靈敏三象限 Triac 的轉向可靠度變差，較為(wei) 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向，此時就算是加上緩衝(chong) 電路也無濟於(yu) 事，因為(wei) 電壓變動率(dV/dt)已經很低了。
解決(jue) 這個(ge) 問題的一個(ge) 方法是加上串聯的非飽和電感來限製電流變化(dI/dt)到 Triac 能夠轉向的程度，同時也需要一個(ge) RC 緩衝(chong) 電路來延緩任何可能造成的過度電壓變化(dV/dt)，並且幫助 Triac 來忍受電流的變化(dI/dt)。
較好的解決(jue) 方法則是采用擁有最高閘極電流(IGT)以及最佳轉向表現的三象限 Triac，因此我們(men) 可以省下所有的保護元件，同時保證能在到達額定最高接麵溫度前正確地運轉，也就是說，三象限雙向是唯一可行的選擇。
實際應用舉(ju) 例：整流的小型家電用馬達
圖 6A 中為(wei) 一個(ge) 相位控製的整流直流永磁式馬達，通常使用在小型的手握式廚房設備中，我們(men) 采用在稍早轉向性測試中使用的 Triac 元件到實際應用上測試，接麵溫度(Tj)為(wei) 125℃。
在圖 5B 中我們(men) 可以看到四象限 Triac 轉向失效的情況，在轉向時的高電流變化(dI/dt)可以看做是持續通過 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向。
圖 6 則為(wei) 兩(liang) 種 Triac 形式的電壓變化(dV/dt)與(yu) 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(hui) 在一個(ge) 電壓點截止，但溫度會(hui) 在一直上升直到 Triac 失控為(wei) 止，也就是轉向失效，失效發生點的溫度越高，就代表 Triac 的轉向特性越佳，所有測試的 Triac 都采用 8A、600V規格以便比較，轉向失效溫度請見表一，在這裏，加入了三象限 Triac 的較靈敏例子以便表示轉向特性與(yu) 溫度變化的關(guan) 係，在這個(ge) 測試中電路造成的轉向情況為(wei) ：dI/dt=8.52A/mS 與(yu) dV/dt=20V/μS
從(cong) 結果中可以輕易看出三象限 Triac 比起傳(chuan) 統四象限技術的好處，靈敏度最差的三象限 Triac 在 200℃ 測試時對失效控製的免役程度還是相當的高，下一段的靜態電壓變化(dV/dt)測試將會(hui) 進一步加強這一個(ge) 論點。
200℃為(wei) 熱度在安全溫度保險絲(si) 燒斷前所能達到的最高溫度，因此不可能達到 Triac 的轉向失效溫度。
200℃比額定 125℃ 接麵溫度要高得多，因此 200℃ 的成功測試並不代表三象限 Triac 能夠常常處在 125℃的溫度之上，因為(wei) 如果工作接麵溫度常常超過額定值的話，將會(hui) 降低元件的長期可靠度以及使用壽命。
三象限與(yu) 四象限 Triac 靜態電壓變化(dV/dt)的比較：在轉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，結果如圖 7：
總結：
與(yu) 傳(chuan) 統四象限 Triac 比較時，在較嚴(yan) 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(hui) 在 Triac 上造成高電壓變化(dv/dt)與(yu) 電流變化(dI/dt)
◇接近最高接麵溫度時的高溫運作，這時 Triac 會(hui) 變得更靈敏且更容易失控
◇在阻斷狀態時，高雜訊電路會(hui) 在 Triac 上造成高電壓變化(dVD/dt)
對家電製造商的好處
三象限 Triac 的強化效能為(wei) OEM 廠商帶來下列的好處：
◇可以節省或精簡傳(chuan) 統四象限 Triac 穩定運作時所必須的保護或緩衝(chong) 電路及電感
◇電路更簡化
◇電路更精簡
◇整體(ti) 係統成本更低
◇失控的免役程度更高
◇由於(yu) 去除了會(hui) 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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