三象限與四象限在產品性能上、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節(jié)或者是連續(xù)調節(jié)，大都采用串聯(lián)式交流馬達。可以用電子轉速控制電路來提高平均驅動電壓，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 中的結上。如果集中程度很高的話，這些載流子就會流到 Triac 結，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，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：

  兩個非平行閘流體分開安排，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(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，或者是意外由內部產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(fā)電流(IGT)的最靈敏 Triac 對錯誤觸發(fā)的免役力也最低，因此轉向的效能表現(xiàn)也最差，我們可以得到這樣的結論：轉向效能與閘極電流大小成正比或者也可以說轉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 更好的轉向表現(xiàn)。在為應用選擇三象限 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，并盡可能地采用二極交流開關來做觸發(fā)電路，并選擇擁有最高觸發(fā)電流(IGT)的最差靈敏度 Triac，同時指定最佳的轉向效能，當驅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 并不是一個好的做法。

  3Q 與4Q Triac(三象限與四象限)轉向特性之間的比較

  三象限與四象限 Triac 在放到轉向特性測試儀器下，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)只受橋式結構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，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備中，我們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，接面溫度(Tj)為 125℃。

  在圖 5B 中我們可以看到四象限 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(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，也就是轉向失效，失效發(fā)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(guī)格以便比較，轉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向特性與溫度變化的關系，在這個測試中電路造成的轉向情況為：dI/dt=8.52A/mS 與 dV/dt=20V/μS

  從結果中可以輕易看出三象限 Triac 比起傳統(tǒng)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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