华体会体育沃尔夫斯堡噪聲抑製的基本原理和新的低成本的dV/dt性能改進解決(jue) 方案
從(cong) 上個(ge) 世紀 70 年代開始，华体会体育沃尔夫斯堡（又稱三端雙向晶閘管）一直用於(yu) 控製交流負載，幾乎在所有電器上都能看到华体会体育沃尔夫斯堡。當終端設備上的電壓上升速率過快時，华体会体育沃尔夫斯堡將會(hui) 自動觸發，從(cong) 那時起，設計人員就必須麵對华体会体育沃尔夫斯堡的這個(ge) 特性。當設計對電壓快速瞬變有要求的電器時，必須考慮這個(ge) 問題。
半導體(ti) 易受到 dV/dt 變化速率的影響
功率半導體(ti) 器件由多個(ge) 半導體(ti) 層組成。例如，华体会体育沃尔夫斯堡是四層結構交流開關(guan) 元件，每層是半個(ge) 祼片，每層通過交替摻雜方法控製空穴濃度（P 區）或自由電子濃度(N 區)，形成兩(liang) 個(ge) 华体会竞猜app。因此，华体会体育沃尔夫斯堡相當於(yu) 兩(liang) 個(ge) 反極性並聯的华体会竞猜app(圖 1)。
每個(ge) PN 結都會(hui) 產(chan) 生寄生電容，當施加斜坡電壓時，就會(hui) 產(chan) 生電容電流(ICAP)。電容電流可能會(hui) 向 IGBT 或功率 MOSFET 等電壓控製型半導體(ti) 的柵極電容充電。如果電容電壓持續升高，超過閾壓(VGS(th)或 VGE(th))，器件可能會(hui) 導通。即使不足以觸發器件，器件也可能進入飽和模式(如果是 MOSFET)或線性模式(如果是 IGBT)，導致功率損耗過大和器件失效。為(wei) 避免這個(ge) 問題，柵極必須通過低阻抗以源極或發射極為(wei) 參考點。
圖 1:a)华体会体育沃尔夫斯堡結構易受 dV/dt 上升率影響 b) dV/dt 上升率引起導通示例圖
如果 dV/dt(以 A1 端為(wei) 參考點)為(wei) 正值，則電流 ICAP 經 P1-N1 結流至 A1；如果 dV/dt 為(wei) 負值，則電流 ICAP 經 P2-N3 結流至 A2(如圖 1 所示)。假如 P1 或 P2 層電壓分別高於(yu) P1-N2 或 P2-N3 結閾壓(即 0.6 V)，該電容電流就可能導致华体会体育沃尔夫斯堡導通。
在华体会体育沃尔夫斯堡產(chan) 品數據手冊(ce) 中，廠商給出相關(guan) 器件在導通前能夠承受的最小的 dV/dt 上升速率。如果電壓上升速率高於(yu) 這個(ge) 數值，华体会体育沃尔夫斯堡可能就會(hui) 導通，如圖 1b 所示。隻要施加的電流小於(yu) 器件最大輸入電流，dV/dt 引起的導通不會(hui) 損壞华体会体育沃尔夫斯堡。因為(wei) 當华体会体育沃尔夫斯堡導通時，電流會(hui) 受到負載阻抗限製，所以大多數情況下不會(hui) 損壞华体会体育沃尔夫斯堡。
改進华体会体育沃尔夫斯堡的 dV/dt 特性
為(wei) 避免當华体会体育沃尔夫斯堡輸入端上電壓變化速率過快而引起的導通問題，傳(chuan) 統解決(jue) 方案是給华体会体育沃尔夫斯堡並聯一個(ge) 阻容緩衝(chong) 電路，抑製市電的 dV/dt 變化速率。但是，這些電路需要一個(ge) 大型電容，以耐受高達 400V 的峰壓(連接 220-240V 市電)。
第二種解決(jue) 方案是在柵極和陰極之間增加阻抗，即增加一個(ge) 電阻器(圖 1 中的 RG )。如圖 1 所示，這個(ge) 解決(jue) 方案隻適用於(yu) 正電壓 dV/dt 變化的情況，寄生電容電流在 P1-N1 結分流(見藍色虛線 ICAP)，防止開關(guan) 被觸發。對於(yu) 負電壓 dV/dt 情況，電容電流(圖 1a 中的紅色虛線)流向 P2-N3 結。外部器件無法分流這部分電流，因而無法改進反向 dV/dt 抑製功能。
用電容替代電阻(圖 1 中的 RG )也可以解決(jue) 這個(ge) 問題，雖然這個(ge) 辦法在 SCR(可控矽整流管)中效果很好，但是不建議用於(yu) 华体会体育沃尔夫斯堡，因為(wei) 华体会体育沃尔夫斯堡導通時 dI/dt 速率很高，這個(ge) 電容可能會(hui) 在华体会体育沃尔夫斯堡柵極上產(chan) 生過流，導致器件損毀。
為(wei) 防範這種風險，可以給該電容串聯一個(ge) 電阻(圖 2a 中的 RG 和 CG)，這樣做的好處是使用一個(ge) 低阻值的 RG，同時避免了從(cong) 控製電路分流過高的電流，因為(wei) 隻要充電，CG 相當於(yu) 開路。
柵極阻容濾波器有益於(yu) 提高應用抗幹擾能力
家電電器必須達到電磁兼容性標準的最低要求。因為(wei) 华体会体育沃尔夫斯堡通過負載直接連接市電，這類電器對 IEC61000-4-4 標準中的電快速瞬變(EFT)實驗所用瞬變事件特別敏感。
IEC61000-4-4 實驗條件包括耦合到市電網絡的 5 kHz 或 100 kHz 電壓脈衝(chong) 串。因為(wei) 該實驗是在整個(ge) 被測電器上進行，所以微控製器也可能受到電磁幹擾。我們(men) 在實驗中隻評測华体会体育沃尔夫斯堡的抗擾度，所以將其柵極直接連至其參考電極，使华体会体育沃尔夫斯堡不受其它幹擾的影響(圖 2)。
圖 2：IEC61000-4-4 測試配置
輸入變阻器用於(yu) 鉗製電壓，防止擊穿導致华体会体育沃尔夫斯堡導通。假如沒有輸入變阻器，隻要施加 1 kV 峰壓，任何华体会体育沃尔夫斯堡都會(hui) 導通。我們(men) 使用一個(ge) 白熾燈作為(wei) 負載，以便於(yu) 觀察华体会体育沃尔夫斯堡何時導通。例如，我們(men) 測試了幾款意法半導體(ti) 的 T 係列產(chan) 品(T610T-8FP, T810T-8FP, T1210T-8FP, T1610T-8FP)。每款產(chan) 品的柵電流都是 10 mA，都對 EFT(電快速瞬變)噪聲敏感。通過圖 2 中的 RG-CG-RG2 電路，每款產(chan) 品都能承受 3 kV 5 Khz 脈衝(chong) 或 2 kV 100 Khz 脈衝(chong) 。如果沒有這個(ge) 柵極電路，連 1 kV 的脈衝(chong) 都承受不住。RG2 對應微控製器輸出引腳的內(nei) 部 RDS(ON)電阻，無需增加外部電阻。
與(yu) 傳(chuan) 統緩衝(chong) 電路(圖 2 中的 RS 和 CS)相比，柵極電路所能承受的電壓略高(3.6 kV 對 3.3 kV 典型值)。柵極電路隻用一個(ge) 16V 的小電容器就取得了 400V 大電容器的抗擾性能。柵極電路與(yu) 緩衝(chong) 電路配合，讓隻使用 10 mA 华体会体育沃尔夫斯堡的電器取得高於(yu) 6 kV 的 EFT 抗擾性能。柵極電路能夠讓所有的华体会体育沃尔夫斯堡受益，不過，意法半導體(ti) T 係列產(chan) 品本身的負電壓 dV/dt 性能非常優(you) 異，同時再使用外部柵極電路提高正電壓 dV/dt 性能。
總之，用柵極濾波器代替高壓緩衝(chong) 器也可以降低電路板尺寸和成本，此外，還可以濾除從(cong) 市電網絡進入到控製電路的噪聲。
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