三端雙向可控矽(Triacs)適用於交流應用的開關元件，堅固耐用並且易於操作，因此從咖啡機到冰箱均可見它的存在。高換向三端雙向可控矽整流也稱為Alternistor，具有改良後的換向特性，甚至能夠經濟高效地靜音開關電感負載，並且使用壽命長。
交流電三極管即是三端雙向可控矽開關元件，是晶閘管系列的一部分，可以透過正電壓和負電壓操作，一旦觸發便會保持導通狀態，除非接收到進一步的觸發訊號，否則直到負載電流低於保持電流才會發生變化。當使用交流電壓運行時，這種情況最遲發生在電流過零點。如圖1所示，其結構可以看作為兩個電氣隔離的反並聯晶閘管，它們共用一個閘電極，兩個晶閘管的電源區域的控制面重疊。有兩種控制三端雙向可控矽開關元件的方法。
第一種是突波控制(Burst Control)，允許開關在一定數量的半週期導通，然後在幾個半週期保持關斷。這導致負載上的平均功率取決於導通和關斷半波的比率，圖2的比例為2：1。電網規定的週期長度只允許設置整數比，這限制了輸出變數的量化。為了獲得有用的時間平均值，導通和關斷週期必須在幾個半波的範圍內。突波控制用於控制交流電壓消耗器的功率，典型應用包括流量加熱器和電加熱器。由於開關僅僅發生在電流過零時，因此在很大程度上避免了奇次諧波。
第二種是相角控制，可在每個半週期開始後的設定時間觸發三端雙向可控矽開關元件，其功能原理詳見圖3。透過改變觸發三端雙向可控矽開關元件的時間(也稱為觸發角)，能夠控制週期性平均值。透過自由選擇觸發角，允許在0到100%範圍內對平均值進行模擬調整。圖4的例子是用於調光器的簡便觸發操作。
雙向可控矽開關靜態耐用
與機電繼電器不同，雙向可控矽是固態繼電器，具有一定優勢，它們靜態運作，並且沒有機械磨損，因此使用壽命較繼電器長得多。三端雙向可控矽開關元件不會出現顫振或電弧和火花，因此可以用於絕對禁用發出火花繼電器的潛在爆炸環境。三端雙向可控矽開關元件也可用於負載的相位控制，進而為小型和大型家用電器的應用開闢了廣泛的可能用途。三端雙向可控矽開關元件適合用於從咖啡機到冰箱的各種設備，用以控制溫度、光照強度和馬達速度等參數。
相移產生影響
當陽極和陰極之間的主電流低於保持電流時，晶閘管和三端雙向可控矽開關元件則關斷。透過在關斷後重新組合電荷，這種開關操作會產生所謂的返回電流。但是，如果在閘極的相鄰區域中存在剩餘的過量電荷，並且在過零後電壓再次升高，則可能會觸發三端雙向可控矽開關元件中的第二個晶閘管。
在高達400Hz左右的電網頻率和正弦波形下，由於電流和電壓是同相位的，因此純歐姆負載的換向操作不存在問題。正如預期，換向發生在電流過零時，這與由相移引起的電壓過零同時發生，電流和電壓變化詳見圖5。如果三端雙向可控矽開關元件用於控制電流和電壓之間發生相移的電感負載，則會出現圖6的情況。
在電流過零期間，三端雙向可控矽開關元件的主端子上會出現電壓。由此產生的電壓dv/dt快速變化可能會錯誤地觸發敏感的三端雙向可控矽開關元件。因此，需要非常仔細地設計可控矽開關的控制電路。選擇合適的三端雙向可控矽開關元件的一個重要參數是允許電壓上升率dVcom/dt。如果超過此數值，元件就不會關斷；為了保證關斷，必須限制換向間隔期間的電流下降率dIcom/dt和關斷操作後的電壓上升率dVcom/dt。三端雙向可控矽開關元件的資料表包含最大允許換向電壓上升率資料，具體取決於三端雙向可控矽未觸發時的陽極電流下降率以及元件溫度。
緩衝網路可防止不必要的觸發
雙向可控矽開關元件必須在預期可能出現錯誤開關的電感負載電路中運行，則通常將放電或RC緩衝網路與三端雙向可控矽開關元件進行並聯(圖7)。緩衝器確保三端雙向可控矽開關元件不會負載過重或因電壓突然升高而過早觸發，例如由電網電源中的電壓峰值引起的情況。此外，可以透過串聯電感器來限制電流上升率dI/dt，這意味著儘管電壓的變化很大，但仍然不會觸發三端雙向可控矽開關元件。
在選擇合適的緩衝網路時，必須仔細選擇各個元件。這裡的關鍵因素是負載電感、交流電源的頻率和負載的有效電流。緩衝電阻必須足夠高，以防止電壓過衝，並將使用三端雙向可控矽開關元件的電容器的峰值放電電流限制在所允許dI/dt範圍內。緩衝電容器必須針對電源系統的全交流電壓進行設計。然而，與三端雙向可控矽開關元件並聯的緩衝器網路增加了電路的複雜性，並且導致緩衝器中出現額外的功率損耗。
更好的簡化電路設計方法是使用Alternistor。與標準三端雙向可控矽開關元件不同，這些高換向三端雙向可控矽開關元件更好地分隔了兩個「晶閘管半波」，因此具有更好的換向穩健性，有助於dVcom/dt在沒有緩衝器的情況下控制電感負載。這項特性可改善具有更高頻率或非正弦形狀的電流換向運作，而無需使用額外的電感器來限制dI/dt。這意謂著使用交流電阻器減少了元件數量並在電路板空間和系統成本方面節省了大量成本，使得開發人員可以創建更簡單的設計。
高電感負載的選項
以Littelfuse提供的Alternistor為例，該產品具有至少是標示電流十倍的高浪湧電流承受能力。這項性能在具有電感負載的電路中很重要，因為電感器的浪湧電流是標稱電流的數倍。浪湧電流限制ITSM是10ms或8.3ms持續時間(50或60Hz)的正弦半波形式的通態電流浪湧峰值，在發生短路時三端雙向可控矽開關元件可以承受這個電流而不會損壞。當三端雙向可控矽開關元件載入有浪湧電流限制時，阻隔層溫度會在短時間內升高。
此Alternistor產品採用不同機械和耐熱封裝，包括絕緣和非絕緣型款。分立式封裝允許使用彈簧夾進行安裝，以減少安裝工作量，所使用的銅夾焊接技術廣泛用於製造高性能半導體模組和元件，確保良好的可靠性。銅夾焊接技術採用的實心銅橋提供更好耐熱性和快速開關能力，取代了晶片和引線之間通常使用的焊線連接。
銅夾的接觸面比焊線大得多，熱量可以更有效地從晶片頂部散發到引線框架，進而改善了散熱性能。這樣降低了運作期間的最高阻隔層溫度，進而延長了三端雙向可控矽開關元件的使用壽命並提高了可靠性。所有三端雙向可控矽晶片都具有玻璃鈍化的阻隔層，而保證了長期的可靠性和元件參數的穩定性。
冷卻葉片採用內部電隔離，隔離電壓高達2500V RMS，所有元件均通過UL認證(參考檔案E81734)。這樣無需使用和安裝單獨的絕緣體，與採用帶電冷卻葉片的設計相比，可以節省成本。與傳統的環氧樹脂絕緣相比，使用陶瓷絕緣帶來更好的散熱性能和更長的使用壽命。
在Alternistor產品領域中，有四大系列特別值得業界關注，它們僅在象限I、II和III中運作(圖8)。由於典型應用通常連接到交流電路，因此三端雙向可控矽開關元件在I和III象限中工作，可以包容第四觸發象限的損耗。
其中，QJ系列高溫Alternistor產品QJxx16xHx，是16A功率雙向可控矽，採用TO-220AB和絕緣TO-220及TO-263封裝，最高阻隔層溫度為302°F(150°C)，ITSM為200A(60Hz)。25A型款(QJxx25xHx)採用相同的封裝，使用堅固絕緣的TO-218和TO218X封裝(帶有焊片)。這款三端雙向可控矽開關元件的最高阻隔層溫度為302°F(150°C)，ITSM為250A(60Hz)。QJ系列產品能夠簡化熱管理，並具有高浪湧電流耐受能力，允許在加熱和馬達控制應用中出現高浪湧電流，有助於解決交流電源控制應用中的過熱問題。
Triacs開關元件適用於交流電應用
三端雙向可控矽開關元件非常適合交流電壓開關和相位角控制應用，例如加熱、照明和馬達速度控制。這種開關可用於電流從電源插座流出的任何位置，包括在咖啡機、流量加熱器、紅外線加熱器、廚房電器、電動工具、加熱控制、交流半導體繼電器、調光器和馬達速度控制系統等應用中。
(本文作者Thomas Bolz為儒卓力標準產品經理；Tawade Prasad任職於Littelfuse技術行銷部)
