工業電子學 Industrial Electronics 張勁燕　編著

工業電子學 Industrial Electronics 第五章　 雙向三極體和雙向二極體

本章章節 5.1 緒論 5.2 Triac的電氣特性 5.3 元件結構和工作原理 5.4 金氧半閘控Triac 5.5 包裝外型及接腳量測 5.1　緒論 5.2　Triac的電氣特性 5.3　元件結構和工作原理 5.4　金氧半閘控Triac 5.5　包裝外型及接腳量測 5.6　基本觸發電路 5.7　緩衝和電源界面 5.8　雙向觸發二極體 5.9　Diac-Triac相位控制電路

圖5.1 Triac的(a)電路符號，(b)電路接線圖 Triac的元件符號和基本電路如圖5.1所示。Triac的三個端點分別是M1、M2和G（或T1、T2和G，或MT1、MT2和G，或A1、A2和G）。M：main主要的。T：terminal，端點或端子。MT：main terminal主要的端點。A：anode，陽極。Triac有二個陽極，沒有陰極。

Triac/SCR等效電路 圖5.2　Triac/SCR等效電路 其實triac就像兩個並聯的SCR一樣。Triac／SCR的等效電路，如圖5.2所示。當V2＞V1，SCR2作用，當V2＜V1，SCR1作用，對triac而言，也有電流上升速率太快，而使元件燒壞的效用，防止方法也和SCR相似。

圖5.3 (a)正向主端點偏壓，(b)反向主端點偏壓，閘極電流和各電壓情況 偏壓下閘極電流和各電壓情況 圖5.3　(a)正向主端點偏壓，(b)反向主端點偏壓，閘極電流和各電壓情況 當triac的外加偏壓使主端點2（MT2）較正，亦即順向或正向主端點偏壓時，由閘極流向主端點1（MT1）的電流會觸發triac，使其導通。圖5.3(a)即表示此種狀況下的電壓極性和電流方向。此時triac的觸發和SCR完全一樣。

Triac的主端點電壓波形和其負載電壓波形

常用的Triac的電性規格 最大功率的triac，電壓高到1600 V，電流超過300 A。Triac使用的交流頻率限制於60或400赫，如果頻率過高，triac在導通之後，可能無法截止。SCR只在間隔半週之內導通，可以工作於比較高的頻率。

Triac的元件結構 圖5.5　Triac的元件結構 Triac的結構比傳統的閘流體（thyristor）複雜的多，如圖5.5所示。它是一個六層的結構，有五個p－n接面，三個電極短路。Triac可以被看成以pnp結構為主，擴散三個n區。除了p1－n1－p2－n2構成主要的四層，還有一個接面閘極n3區、一個n4區。以M1使p2和n2短路，以M2使p1和n4短路，以閘極電極使n3和p2短路。

Triac的四種不同觸發模式 圖5.6 Triac的四種不同觸發模式 此元件在不同偏壓狀況的工作情形，如圖5.6所示。當端點M2的電位大於M1，正電壓加到閘極，如圖5.6(a)所示，元件像一個傳統的閘流體，接面J4和J5為逆向偏壓，非主動。主電流由元件左側p1－n1－p2－n2流動。圖5.6(b)，M2電位大於M1，而且負電壓加到閘極，J4為順向偏壓，電子從n3發射到p2，輔助的閘流體p1－n1－p2－n3啟動，由於電晶體n3－p2－n1的放大作用，因而觸發左側p1－n1－p2－n3閘流體導通。當M2的電位低於M1，主閘流體為右側p2－n1－p1－n4，其餘圖5.6(c)、圖5.6(d)的原理和動作情形相似。

Triac的順向和逆向特性 Triac的I－V特性曲線，如圖5.7所示。但這個曲線只表示出閘極未加觸發電壓的曲線。

Triac的觸發模式 與SCR的情況一樣，一般triac加至T2與T1的電壓，都比VDROM為小，因為在閘極與T2之間還加一個觸發的閘極信號電壓。再參考圖5.8，我們可歸納下列四項要點： 1. 正導通方向，電流是從triac的T2流至T1（可對照圖5.6(a)和(b)）。 2. 負導通方向，電流是由triac的T1流至T2（可對照圖5.6(c)和(d)）。 3. 不管是在正或負導通的期間，只要T1－T2間的電流低於保持電流Ih以下，triac就如同開關一樣，由導通狀態變成截止狀態。 4. 不管在那一種方向，一旦triac導通後，T1－T2間的電壓降大約為1 V左右。因此，當triac導通時，流經triac的電流大小是由負載電阻RL所限制。

Triac加閘極電流觸發之I－V特性 圖5.8　Triac加閘極電流觸發之I－V特性 當triac加上閘極電流之後，導通電壓降低，如圖5.8所示。第一象限如同SCR，閘極電流越大，導通電壓越小。Triac在第三象限的I－V和第一象限成對稱關係。

V字槽MOS閘控triac結構圖及其I－V特性 圖5.9　V字槽MOS閘控triac，(a)結構圖，(b)I－V特性 以金氧半（MOS）閘極控制製作的V字槽閘流體，如圖5.9所示。閘極結構必須延伸進入n漂移區（drift regien），陽極－陰極加正電壓VAK，當閘極電壓等於金氧半元件的臨限電壓（threshold voltage），閘極氧化物下的半導體反轉（inversion），電子從上層n＋射出，經p基極，到n漂移區，使n漂移區的電位下降，p＋陽極和n漂移區的順向偏壓加大，元件像閘流體一樣導通，陽極－陰極電壓大幅下降。

圖5.10 MOS閘斷閘流體，(a)結構，(b)等效電路 另一個金氧半元件，可以利用正閘極電壓使其導通，負閘極電壓使其截止，如圖5.10所示。原因是負閘極電壓使PMOS導通，因而使npn BJT的射極－基極（EB）短路。此元件的工作像一個閘斷開關（gate turn off switch，GTO）。

Triac的判別 圖5.11　Triac接腳的判別 判斷此元件為triac或SCR，測試其接腳是否正常（不短路、不開路）可用三用電錶，將電錶放在R×1檔。T1和T2之間應該為高阻抗（近乎無窮大），G與T1之間應為低阻抗（約在10Ω左右）。Triac的接腳測試，如表5.3所列。

Triac接腳量測-1 1. 先把電錶黑棒放在T2，而紅棒放在T1點上。如圖5.12所示，此時電錶不動。

Triac接腳量測-2 圖5.13　Triac接腳之量測－Ⅱ 2. 將T2點與G點接觸，然後離開。此時錶頭指針將右轉至10Ω附近。（注意：黑棒仍然不可離開T1，而紅棒不可離開T2），如圖5.13所示，此時電錶右轉。

Triac的包裝外觀 圖5.14　Triac的包裝外型

Triac的基本靜態開關 圖5.15　Triac的基本靜態開關 此電路利用手動開關變換位置，以控制閘極的觸發電壓，當開關放在電阻R的位置時，有電流流經R加到triac的閘極上，使triac導通。如果開關仍然放在位置，triac繼續導通。若開關撥到位置，triac將在電源次半週截止。有時triac的兩端也接上一個RC電路，可預防triac作錯誤的導通，此RC分路也引掉過多的突波（spike）電流。

Triac的雙向觸發 圖5.16　Triac的雙向觸發 Triac雖然可以雙向導通，但必須於交流的每一半週內在閘極上加觸發電壓，才能使triac導通，如圖5.16所示，正半週時G點上的觸發信號必須為正電位，triac才能導通。當電源為負半週時，G點上的觸發信號必須為負電位，否則triac就會截止。

圖5.17 (a)簡單的閘極控制電路，(b)改良型閘極控制電路 簡單的閘極控制電路及其改良型 圖5.17　(a)簡單的閘極控制電路，(b)改良型閘極控制電路 最簡便型的triac觸發電路示於圖5.17(a)，在每半週的延遲角時間內，電容器C可經由R1和R2充電。於正半週時，MT2的電壓較MT1為正，電容器C的上面板極性為正，當C上的電壓足以經R3供應triac觸發所需的閘極電流（IGT）時，triac即導通。在負半週時，C的極性相反，下面板極性為正，上面板為負，當C上的負壓若足以供應由MT1進入，而由R3流出的閘極觸發電流時，triac也會導通。

圖5.19 以二極體、電阻做triac導通相位控制 圖5.19所示為二個二極體D1、D2和一個可變電阻VR構成的triac觸發電路，實際上的電路當然沒有這種組態，但此電路可以幫助我們瞭解triac的控制電路。當交流電源為正半週時，電流經D1和VR加到triac的閘極，當觸發電位夠大，triac導通。改變VR的電阻，即可控制激發角和導通角。

Triac的相位控制 圖5.18　Triac的相位控制 所謂相位控制（phase control）即是藉控制交流電壓，以控制每一週期內允許流入負載的電流。圖5.18為一基本的triac相移控制（phase shift control）電路與全波相位控制的負載電壓波形。

Triac的簡單緩衝作用 對於交流triac緩衝，電流必須在二個主端點來回流動，電容器必須相等的充電、放電。不可以並聯一個電阻和一個二極體，因為這樣雖然可以快速充電，但放電時電流卻被限制住了。最簡單的triac緩衝方法是將SCR緩衝器電路去掉二極體，如圖5.20　Triac的簡單緩衝作用。 圖5.20　Triac的簡單緩衝作用

雙網路Triac緩衝器 圖5.21　雙網路triac緩衝器 以此結構，截止閘流體時，可將電源自負載移開。這樣才是安全的作法。如果把負載接到電源熱線，而切換中性線，觸發會比較簡單，但是非常危險。當閘流體截止，它是非主動的。它的兩端接到熱線，觸摸此非主動負載的任一端，會觸到電源熱線，可能會電死！

光耦合Triac驅動器概略圖 圖5.22　光耦合的triac驅動器概略圖 光耦合的triac驅動器的概略圖和接腳，如圖5.22所示。此元件包括一光控矽雙向開關耦合一發光二極體（LED）。當LED導通，矽雙向開關被啟動。以60赫驅動LED，導通時間80μS，觸發器電流大於600 mA，可提供給SCR或triac使其導通。

比較器Triac驅動器界面電路 一導火電路如圖5.23所示。要使矽雙向開關導火，才可觸發SCR或triac，就必須先啟通LED。

圖5.24 Diac的(a)結構，(b)I－V特性，(c)元件符號 Diac的結構，I－V特性和元件符號，如圖5.24所示。Diac也有負電阻區，diac的正反轉態電壓很接近，但不對稱，如一邊16 V，另一邊12 V。較大的那端會加個圓圈以做識別。

雙向pnpn開關的結構 圖5.25　雙向pnpn開關的結構 另一種雙向p－n－p－n開關也可以當作diac，它是二個傳統的蕭克萊二極體（Shockley diode）反相並聯而成，結構如圖5.25(a)所示，它能適應二種極性的交流訊號。此M1代表主端點1，M2代表主端點2。利用短路陰極原理，我們可以將此安排集合為一個二端點雙向二極體，如圖5.25(b)所示。此結構的對稱使得任意極性的電源電壓均有相同的結果。

圖5.26 (a)雙向二極體的元件符號，(b)I－V特性 Diac有對稱的I－V特性，如圖5.26所示。和蕭克萊二極體相似，雙向二極體可以利用，使它超過轉折電壓或利用dv/dt激發使其導通。因為再生回授的動作，雙向p－n－p－n二極體開關比起交流激發的二極體，負電阻較大和順向壓降較小。

Diac的交流測試電路於A、C二點間的波形圖 圖5.27　Diac的(a)交流測試電路，(b)A、C二點間的波形圖 一個diac交流電壓測試的電路，如圖5.27(a)所示。R1是保護用電阻，可變電阻VR可調整充放電的波形。C1的耐壓為150 V。交流電源經R1－VR－C1充電，當C1之端電壓超過diac的崩潰電壓，C1經diac和R2而放電，AC二點間的波形，如圖5.27(b)所示的鋸齒狀，無論交流電源的正半週或負半週均有鋸齒波出現。

Diac的直流測試電路 圖5.28　diac的直流測試電路 將電路修改，前端加二極體D1和電容C2作半波整流，以直流電加到R1上，如圖5.28所示。電路的充放電路徑和前圖相同，但C2兩端為直流電。若將D1和C2的極性同時反轉，可得負向直流電測試電路。

Diac的充放電電路及波形圖 圖5.29　Diac的充放電電路及波形圖 若電源的極性倒轉，電壓波形就如圖5.29(c)所示。以diac觸發triac的電路，實際就是利用圖5.29(b)和圖5.29(c)的波形，由diac傳送到triac（或SCR）的閘極，作為觸發脈波。

基本Diac弛張振盪電路及波形 圖5.30　基本diac弛張振盪電路及波形 圖5.30所示為基本的diac弛張振盪器（relaxation oscillator）電路。當電源VS加上時，diac處於截止狀況，而電流經R2向電容器C充電。當電容器C兩端電壓上升至diac的轉態電壓VBR時，diac導通而電容器C經diac放電，於電阻器R1上產生脈波輸出。

Diac弛振盪器用於激發閘流體電路 圖5.31　Diac弛振盪器用於激發閘流體電路 圖5.31中，diac弛張振盪器頻率仍取決於R1、R2與C的充電時間常數。R3電阻器是用來限制電容器C的放電電流，若改變R3電阻值，可以調整輸出脈波的寬度。

圖5.32 Diac做triac的觸發元件，(a)電路，(b)波形圖 圖5.32為diac-triac的相位控制電路，利用VR1和C1充放電，調整VR1作相角控制，R2C2是用來保護triac的緩衝器（snubber）。

圖5.33 減少遲滯現象的diac－triac電路 新增加的電阻10 kΩ是避免VR1變為零時，電容C的充電速率太快。電阻56 kΩ和電容0.1μF是緩和電容C1的放電現象。

圖5.34 (a)由diac和triac組成的相位控制電路 (b)VC、VG、VA2－A1和VL的波形 圖5.34(a)所示，為由triac TIC226B和diac 1N5411組成的相位控制調光電路。

圖5.35 相位控制電路的(a)遲滯現象，(b)改善遲滯的電路 相位控制電路的遲滯現象及改善遲滯的電路 圖5.35　相位控制電路的(a)遲滯現象，(b)改善遲滯的電路 遲滯現象表示當電阻R由最大值慢慢調小時，燈泡的亮度控制不是漸漸增強，而是突然增強的。欲改善遲滯現象，多加二個電阻R和VR2及一個電容C即可，如圖5.35(b)所示，VR2100 kΩ、電阻68 kΩ和電容0.1μF，即可改善遲滯。

Triac作調光器電阻 圖5.36　Triac作調光器電阻 利用triac作調光器，如圖5.36所示。利用diac－triac的基本相位控制電路，配合插座、氖氣管（BEN－2）插座上插燈泡，燈泡可用10W～100W或以上。調整可變電阻VR（或稱電位計potentiometer）的大小，來控制燈泡的亮度。

Diac－triac控制光感測自動點燈電路 以diac－triac控制電路，配合硫化鎘（CdS）光敏電阻（photo sensitive resistance），可作光感測自動點燈器，適於夜間室外用，如圖5.37所示。