三端雙向可控硅開關(guān)是使用廣泛的固態(tài)交流電源開關(guān)，用于控制 50/60Hz 甚至 400Hz 的交流電源負(fù)載、家用電器、商業(yè)和工業(yè)設(shè)備。它們旨在承受高阻斷電壓，同時傳導(dǎo)極低的漏電流，或鎖存到導(dǎo)通狀態(tài)以響應(yīng)柵極上的低電平電流脈沖來傳導(dǎo)負(fù)載電流。
　　與所有功率半導(dǎo)體一樣，三端雙向可控硅開關(guān)可用于從 <1A 起的多種不同電流水平。在更高的電流下，將需要一個散熱器來散熱。由于其技術(shù)固有的固定壓降，三端雙向可控硅開關(guān)通常每安培負(fù)載電流的功耗約為 1 瓦特。
　　如果三端雙向可控硅開關(guān)由于任何原因變得過熱（Tj > Tj（max）），它可能會失去控制，即無法換向（在半周期結(jié)束時自行關(guān)閉）并繼續(xù)導(dǎo)通，即使沒有對柵極施加觸發(fā)命令。這可能導(dǎo)致三端雙向可控硅開關(guān)的熱失控和破壞性故障，并可能造成負(fù)載故障。為避免此類危險，應(yīng)用程序必須經(jīng)過過度設(shè)計，以允許所有可能的故障或過載情況。過度設(shè)計策略可能包括：
　　比允許故障條件所需的更大的三端雙向可控硅開關(guān);
　　散熱器大于允許故障情況所需的散熱器;
　　外殼大于允許故障條件冷卻所需的外殼;
　　額外的熱保護(hù);
　　額外的過流保護(hù);
　　人為限制間歇性負(fù)載的占空比。
　　溫度和過載保護(hù)三端雙向可控硅開關(guān) （TOPTriac） 不需要任何此類過度設(shè)計，因為它可以保護(hù)自己免受過熱，在遠(yuǎn)低于其會失去控制的溫度時自行關(guān)閉。這允許應(yīng)用程序?qū)ｉT設(shè)計用于正常運行，因為 TOPTriac 將處理自己的熱過載條件。
　　除了在復(fù)位前無限期閉鎖的過溫保護(hù)外，TOPTriac 還可以通過門反饋將其狀態(tài)傳回系統(tǒng)微控制器。系統(tǒng)可以何時正常導(dǎo)通或阻斷，或者是否處于過熱跳閘狀態(tài)，無論是否應(yīng)用了門觸發(fā)命令。它能夠?qū)⑵錉顟B(tài)傳達(dá)給微控制器，這為設(shè)計人員提供了實現(xiàn)智能過載監(jiān)控功能的獨特機(jī)會，并根據(jù)應(yīng)用需求應(yīng)用手動或自動復(fù)位。
　　TOPTriac 的過溫保護(hù)和智能監(jiān)控功能提高了終產(chǎn)品的整體安全性，無需為故障情況進(jìn)行過度設(shè)計，無需額外的保護(hù)元件，并減少了現(xiàn)場故障的可能性。

　

　　圖 1.Triac 和 TOPTriac 符號。
　　運作方式
　　TOPTriac 基于 Ween 的平面鈍化三象限 Hi-Com 可控硅技術(shù)，是一款具有基于半導(dǎo)體的片上熱保護(hù)的固態(tài)交流電源開關(guān)。該保護(hù)功能會禁用三端雙向可控硅元件，防止在芯片溫度過高導(dǎo)致器件或電路失控和損壞之前導(dǎo)電。在 125°C 至 150°C 的結(jié)溫下激活保護(hù)。
　　作為雙象限器件，TOPTriac 僅由負(fù)柵極電流觸發(fā)。
　　TOPTriac 像標(biāo)準(zhǔn) Triac 一樣，通過向其柵極施加電流來觸發(fā)。觸發(fā)電流可以是直流（用于連續(xù)導(dǎo)通）或脈沖（用于任何相位角）。脈沖觸發(fā)需要向柵極施加額外的低電平連續(xù)直流泄放電流。泄放電流在 0.5mA – 2mA 范圍內(nèi)。
　　當(dāng) TOPTriac 進(jìn)入過溫保護(hù)狀態(tài)時，“跳閘”，由于連續(xù)的直流柵極觸發(fā)電流或泄放電流，即使在冷卻后，它也會無限期地保持鎖定狀態(tài)。

　　通過移除并重新施加 DC 柵極驅(qū)動器來實現(xiàn) Reset。如果 Tj 低于跳閘溫度，則將恢復(fù)正常導(dǎo)通。

　　三象限 Hi-com Triac 和 TOPTriac 的比較
　　表 1：三象限 Hi-com Triac 和 TOPTriac 的比較
　　應(yīng)用電路
　　TOPTriac 觸發(fā)和門監(jiān)控電路可以根據(jù)應(yīng)用需要簡單或復(fù)雜。簡單的分立電路（開環(huán)、無監(jiān)控或反饋、手動復(fù)位）可應(yīng)用于低成本設(shè)計和簡單系統(tǒng)，而對于帶有微控制器的高端應(yīng)用，則可進(jìn)行全面狀態(tài)監(jiān)控以及手動或自動復(fù)位的任意組合。
　　具有手動復(fù)位功能的離散相位控制
　　TOPTriac 是一款雙象限器件，IGT 為 5mA 至 35mA。采用至少 35mA 幅度和可調(diào)相位角的負(fù)柵極電流脈沖進(jìn)行可變功率控制。通過 R7 施加 ~0.8mA 的泄放電流，以確保在過溫跳變后繼續(xù)閉鎖。復(fù)位是通過暫時打開與門串聯(lián)的開關(guān)來實現(xiàn)的。

　

　　圖 2.離散相位控制電路。
　　分立相位控制電路的物料清單
　　表 2.分立相位控制電路的物料清單
　　微控制器控制
　　將 TOPTriac 與微控制器相結(jié)合可實現(xiàn)全部功能。觸發(fā)可以是連續(xù)直流或帶泄放電流的脈沖觸發(fā)（脈沖持續(xù)時間 10μs）。柵極電壓反饋指示 TOPTriac 的狀態(tài)：
　　電源頻率方波的存在意味著負(fù)載電流正在流動;
　　低電平連續(xù)直流偏移和無交流信號意味著過熱跳閘。
　　柵極反饋還允許檢測負(fù)載電流過零，因為柵極電壓 AC 信號反映了負(fù)載電流。這對于三端雙向可控硅開關(guān)至關(guān)重要，因為三端雙向可控硅開關(guān)在電流（而不是電壓）過零時換向，因此脈沖觸發(fā)需要與電流過零同步以實現(xiàn)連續(xù)導(dǎo)通。
　　當(dāng) TOPTriac 進(jìn)入超溫跳閘狀態(tài)時，微控制器將自發(fā)檢測其狀態(tài)，并在編程的時間延遲后自動發(fā)送警報信號。例如，允許循環(huán)通過超溫跳閘可能很危險（例如，機(jī)器意外啟動可能不安全）。在這種情況下，可以對系統(tǒng)進(jìn)行編程以發(fā)送早期警告信號，用戶可以自我評估并干預(yù)該過程，從而允許電路手動復(fù)位。

　

　　圖 3.使用 3.3V 微控制器進(jìn)行直流和脈沖觸發(fā)。
　　TOPTriac 與標(biāo)準(zhǔn) Triac
　　在此分析過程中，評估了 TOPTriac 的性能，并與標(biāo)準(zhǔn) Triac 進(jìn)行了比較。所使用的測試板設(shè)計為在 TOPTriac 和標(biāo)準(zhǔn) Triac 上都能正常工作。將 WeEN 的標(biāo)準(zhǔn)三端雙向可控硅 BTA312B-600CT 與 WeEN 的 TOPTriac TOP12-800CO 進(jìn)行了比較。設(shè)備由微控制器控制，并以 900 的相位角觸發(fā)，同時使用 1200W 加熱元件作為負(fù)載。在一般環(huán)境、工作條件和超過 Tjmax 的極端溫度環(huán)境下評估了功能。
　　在圖 4a 中，顯示了一般環(huán)境條件下柵極觸發(fā)脈沖的波形和標(biāo)準(zhǔn)三端雙向可控硅開關(guān)的負(fù)載電流。當(dāng)柵極脈沖出現(xiàn)在其柵極上時，三端雙向可控硅開關(guān)在每個半周期打開。然而，圖 4b 中所示的 TOPTriac 波形與圖 4a 沒有什么不同。兩種器件均按照數(shù)據(jù)表中的規(guī)定運行。

　　TOPTriac 與標(biāo)準(zhǔn) Triac 在普通工作條件下的性能

　　圖 4.TOPTriac 和普通工作條件下的標(biāo)準(zhǔn)三端雙向可控硅性能。左：BTA312B-600CT 在正常運行條件下和 900 觸發(fā)角度。右：TOP12-800CO 在正常運行條件下和 900 觸發(fā)角度。
　　當(dāng)環(huán)境溫度超過 Tjmax 時，可以觀察到標(biāo)準(zhǔn) Triac 和 TOPTriac 之間的主要差異。從圖 5a 中可以看出，標(biāo)準(zhǔn) Triac 繼續(xù)導(dǎo)通整個半周期，而沒有將柵極信號施加到柵極，而不是預(yù)期的相位控制導(dǎo)通。在這種情況下，無法控制提供給負(fù)載的功率，并且在負(fù)載和三端雙向可控硅中耗散更高的功率。這導(dǎo)致三端雙向可控硅開關(guān)具有更高的過熱和設(shè)備故障風(fēng)險。相比之下，如圖 5b 所示，當(dāng)受到相同的超溫條件時，TOPTriac 會自我保護(hù)并在達(dá)到其溫度跳閘極關(guān)閉。不僅如此，在觸發(fā)過溫保護(hù)后，無論是否向柵極施加?xùn)艠O脈沖，TOPTriac 都不會再次導(dǎo)通。

　　TOPTriac 和過熱條件下的標(biāo)準(zhǔn)三端雙向可控硅性能。

　　圖 5.TOPTriac在過熱條件下具有標(biāo)準(zhǔn)的三端雙向可控硅性能。左：BTA312B-600CT 在過熱條件下和 900 觸發(fā)角。右：TOP12-800CO 在過熱條件下和 900 觸發(fā)角度。