中心論題：
- 三端雙向晶閘管功耗的計算。
- Vo和Rs的計算方法。
- Tjmax的計算方法。
- 設計案例介紹。
解決方案：
- 由已知數據表和曲線計算功耗。
- 制作一個放大的IT / VT曲線復印件以提高Vo和Rs的計算精確度。
- 選用BTH151S-650R保證重復過載條件提供高度重復電涌。
三端雙向晶閘管在工作時消耗大量電能，因而其散熱設計非常重要。散熱設計主要涉及到功率、熱阻和溫度升高等幾個計算階段。本文介紹的是設計計算以及設計案例，其數據主要來自實際應用和三端雙向晶閘管的數據表。
三端雙向晶閘管功耗的計算
三端雙向晶閘管功耗受負載電流影響。假設電流為全正弦波電流(全波傳導)，即表示在三端雙向晶閘管功耗最大的條件下，其功耗最易于計算，如式1所示：
P = Vo × IT(AVE) + Rs × IT(RMS)2 (1)
其中，P為三端雙向晶閘管功率；Vo為三端雙向晶閘管拐點電壓，通過IT/VT曲線得到該值；IT(AVE)為平均負載電流，其計算公式如式2所示：
IT(AVE) = 2 ×× IT(RMS) /? (2)
其中，Rs為三端雙向晶閘管斜率電阻，通過查IT/VT曲線得到該值；IT(RMS)為RMS負載電流,通過測量得到該值。
這里計算前提為全波傳導和正弦負載電流，即最不利的功耗情況。半波傳導的IT(RMS)和IT(AVE)的計算公式為：
IT(AVE) = 2 x Ipk x T / ?x 2T
= Ipk /? (3)
IT(RMS)2 = (Ipk2 x T) / (2 x 2T)
= Ipk2 / 4∴IT(RMS) = Ipk / 2 (4)
Vo和Rs的計算
如果數據表中未提供Vo和Rs值，則設計師須自己算出數據。具體方法如下：
1. 制作一個放大的IT / VT曲線復印件以提高精確度；
2. 在三端雙向晶閘管的額定電流處作VT @ Tjmax曲線最大斜率的切線；
3. 切線與VT軸相交的點就是Vo；
4. 切線的斜率VT / IT 就是Rs。
Tjmax的計算
Tjmax受環境溫度、三端雙向晶閘管功耗和結點與環境之間的熱阻影響。本文將只考慮穩態條件。因為在短期瞬變條件中，要考慮瞬變熱阻抗(Zth)。此值始終小于穩態熱阻(Rth)，且其瞬變條件要復雜得多。
Tj = Ta + P × Rth j-a (5)
其中，Tj為結點溫度；Ta為環境溫度；P為三端雙向晶閘管功率；Rth j-a為結點至環境熱阻(鸆/W)。
關于Rth j-a的分析
熱阻類似于電阻，總電阻可以分為若干串聯的小電阻。對于主流封裝(TO220)，Rth j-a由以下熱阻組成：
Rth j-a = Rth j-mb + Rth mb-hs + Rth hs-a (6)
其中，Rth j-mb為結點至安裝底座熱阻。受晶圓尺寸影響，此值是固定的，取決于設備。有關準確值，請參閱相關數據表。
Rth mb-hs為安裝底座至散熱器熱阻。該值取決于安裝方法——如是否有導熱脂、安裝螺釘或夾子、隔熱墊片材料等，此值由設備制造商控制。
Rth hs-a為散熱器至環境熱阻。此值取決于應用，并由設備制造商單獨控制。
由于熱阻值取決于封裝類型和隔離金屬熱參考點的實用性，指定熱阻的方式有一些注意事項，具體如下：
1. 對于沒有安裝金屬底座的塑料封裝，因為散熱器是最近的金屬參考點，故用單規格的Rth j-hs代替“Rth j-mb + Rth mb-hs”。
2. 對于未使用散熱器的低功率塑料封裝，只指定Rth j-lead，因為引腳是最近的金屬參考點。大部分熱量都是通過引腳傳導到PCB，少量熱量直接從封裝輻射到環境中。
3. 對于一些沒有安裝底座但有焊點的表面貼裝封裝，使用Rth j-sp代替Rth j-mb。
設計案例
冰箱壓縮機的熱阻計算
電子恒溫器使用三端雙向晶閘管來控制冰箱壓縮機的開關切換。本文將計算使三端雙向晶閘管的結點溫度保持在其125℃的Tjmax內所允許的最大散熱器熱阻。
a 設計參數
穩態電動機電流 = 1.4A；
最大浪涌電流 = 17A(正半周期的峰值)；
電源 = 230V；
最高環境溫度為40℃；
表面貼裝三端雙向晶閘管要求直接焊接到控制器PCB上，從帶有20mA電流吸收器功能的微控制器來觸發三端雙向晶閘管柵極。
b 設計計算
本文使用8A Hi-Com三端雙向晶閘管來處理電感負荷和啟動電流。本設計采用由DPAK封裝的三端雙向晶閘管BTA208S-600E，其10mA的IGT非常適合用于微控制器的驅動功能。
由式2得，IT(AVE)= 2×× IT(RMS) /?= 2 ××1.4 / ? 1.26A。
根據數據表，Vo=1.264V，Rs =0.0378健?由式1得，P= Vo × IT(AVE) + Rs × IT(RMS)2
= 1.264 ×1.26 + 0.0378 ×1.42= 1.67W。
由式5得，Tjmax = Ta + P ×Rth j-a。
已知Tjmax = 125℃, Ta = 40℃，P = 1.67W。
重新整理該等式可得：Rth j-a= (Tj － Ta) / P= (125－40) / 1.67= 51℃/W。
由式6得，Rth j-a = Rth j-mb + Rth mb-hs + Rth hs-a。
根據數據表，Rth j-mb = 2℃/W，需要找到Rth mb-a。
重新整理該等式可得：Rth mb-a= Rth j-a －Rth j-mb= 51－2= 49℃/W。
因為在本例中PCB是散熱器，作為參考，此熱阻可以使用面積500mm2的銅墊片獲得。
由于緊靠三端雙向晶閘管的其他非消耗性元件將會降低實際的熱阻，而消耗功率的任何元件都將增加熱阻。因此，這對測量模型以發現真實散熱性能非常重要。
電動工具的Tjmax預測
高功率電鉆使用通用電刷電動機，其速度由半波相位控制電路控制。計算SCR(硅可控整流器)中的最大功率消耗和計算散熱器熱阻都需要將結點溫度保持在Tjmax以下。
a 設計參數
正常運行時電動機峰值電流 = 5A；
最高環境溫度為50℃；
在三端雙向晶閘管開關中的安裝需要表面貼裝的三端雙向晶閘管，SCR 由電動機冷卻風扇進行冷卻。
b 設計計算
為了給必須面對的重復過載條件提供高度重復電涌保證，本設計選用BTH151S-650R。其額定電流為12A ，采用SOT428(DPAK)封裝。
由式3得，IT(AVE)= Ipk /? 5 /? 1.59A。
由式4得，I T(RMS)= Ipk / 2= 5 / 2= 2.5A。
根據數據表，Vo = 1.06V 和 Rs = 0.0304健?由式1得，P=Vo× IT(AVE) + Rs × IT(RMS)2= 1.06×1.59 + 0.0304× 2.52= 1.88W。
使用式5，Tj = Ta + P×Rth j-a。
已知Ta = 50℃和P = 1.88W，在本例中，Tj = Tjmax = 125℃。
重新整理該等式可得：Rth j-a= (Tj－Ta) / P= (125－50) / 1.88= 39.9℃/W。
由式6得，Rth j-a = Rth j-mb + Rth mb-hs + Rth hs-a。
根據數據表，Rth j-mb = 1.8℃/W。
重新整理該等式可得：Rth mb-a= Rth j-a －Rth j-mb= 39.9－1.8= 38.1℃/W。
38℃/W的最大散熱器熱阻將Tj保持在125℃或更低。此散熱器熱阻包括穩態條件且在少量氣流通過開關模塊時也很容易實現。
三端雙向晶閘管功耗的計算
三端雙向晶閘管功耗受負載電流影響。假設電流為全正弦波電流(全波傳導)，即表示在三端雙向晶閘管功耗最大的條件下，其功耗最易于計算，如式1所示：
P = Vo × IT(AVE) + Rs × IT(RMS)2 (1)
其中，P為三端雙向晶閘管功率；Vo為三端雙向晶閘管拐點電壓，通過IT/VT曲線得到該值；IT(AVE)為平均負載電流，其計算公式如式2所示：
IT(AVE) = 2 ×× IT(RMS) /? (2)
其中，Rs為三端雙向晶閘管斜率電阻，通過查IT/VT曲線得到該值；IT(RMS)為RMS負載電流,通過測量得到該值。
這里計算前提為全波傳導和正弦負載電流，即最不利的功耗情況。半波傳導的IT(RMS)和IT(AVE)的計算公式為：
IT(AVE) = 2 x Ipk x T / ?x 2T
= Ipk /? (3)
IT(RMS)2 = (Ipk2 x T) / (2 x 2T)
= Ipk2 / 4∴IT(RMS) = Ipk / 2 (4)
Vo和Rs的計算
如果數據表中未提供Vo和Rs值，則設計師須自己算出數據。具體方法如下：
1. 制作一個放大的IT / VT曲線復印件以提高精確度；
2. 在三端雙向晶閘管的額定電流處作VT @ Tjmax曲線最大斜率的切線；
3. 切線與VT軸相交的點就是Vo；
4. 切線的斜率VT / IT 就是Rs。
Tjmax的計算
Tjmax受環境溫度、三端雙向晶閘管功耗和結點與環境之間的熱阻影響。本文將只考慮穩態條件。因為在短期瞬變條件中，要考慮瞬變熱阻抗(Zth)。此值始終小于穩態熱阻(Rth)，且其瞬變條件要復雜得多。
Tj = Ta + P × Rth j-a (5)
其中，Tj為結點溫度；Ta為環境溫度；P為三端雙向晶閘管功率；Rth j-a為結點至環境熱阻(鸆/W)。
關于Rth j-a的分析
熱阻類似于電阻，總電阻可以分為若干串聯的小電阻。對于主流封裝(TO220)，Rth j-a由以下熱阻組成：
Rth j-a = Rth j-mb + Rth mb-hs + Rth hs-a (6)
其中，Rth j-mb為結點至安裝底座熱阻。受晶圓尺寸影響，此值是固定的，取決于設備。有關準確值，請參閱相關數據表。
Rth mb-hs為安裝底座至散熱器熱阻。該值取決于安裝方法——如是否有導熱脂、安裝螺釘或夾子、隔熱墊片材料等，此值由設備制造商控制。
Rth hs-a為散熱器至環境熱阻。此值取決于應用，并由設備制造商單獨控制。
由于熱阻值取決于封裝類型和隔離金屬熱參考點的實用性，指定熱阻的方式有一些注意事項，具體如下：
1. 對于沒有安裝金屬底座的塑料封裝，因為散熱器是最近的金屬參考點，故用單規格的Rth j-hs代替“Rth j-mb + Rth mb-hs”。
2. 對于未使用散熱器的低功率塑料封裝，只指定Rth j-lead，因為引腳是最近的金屬參考點。大部分熱量都是通過引腳傳導到PCB，少量熱量直接從封裝輻射到環境中。
3. 對于一些沒有安裝底座但有焊點的表面貼裝封裝，使用Rth j-sp代替Rth j-mb。
設計案例
冰箱壓縮機的熱阻計算
電子恒溫器使用三端雙向晶閘管來控制冰箱壓縮機的開關切換。本文將計算使三端雙向晶閘管的結點溫度保持在其125℃的Tjmax內所允許的最大散熱器熱阻。
a 設計參數
穩態電動機電流 = 1.4A；
最大浪涌電流 = 17A(正半周期的峰值)；
電源 = 230V；
最高環境溫度為40℃；
表面貼裝三端雙向晶閘管要求直接焊接到控制器PCB上，從帶有20mA電流吸收器功能的微控制器來觸發三端雙向晶閘管柵極。
b 設計計算
本文使用8A Hi-Com三端雙向晶閘管來處理電感負荷和啟動電流。本設計采用由DPAK封裝的三端雙向晶閘管BTA208S-600E，其10mA的IGT非常適合用于微控制器的驅動功能。
由式2得，IT(AVE)= 2×× IT(RMS) /?= 2 ××1.4 / ? 1.26A。
根據數據表，Vo=1.264V，Rs =0.0378健?由式1得，P= Vo × IT(AVE) + Rs × IT(RMS)2
= 1.264 ×1.26 + 0.0378 ×1.42= 1.67W。
由式5得，Tjmax = Ta + P ×Rth j-a。
已知Tjmax = 125℃, Ta = 40℃，P = 1.67W。
重新整理該等式可得：Rth j-a= (Tj － Ta) / P= (125－40) / 1.67= 51℃/W。
由式6得，Rth j-a = Rth j-mb + Rth mb-hs + Rth hs-a。
根據數據表，Rth j-mb = 2℃/W，需要找到Rth mb-a。
重新整理該等式可得：Rth mb-a= Rth j-a －Rth j-mb= 51－2= 49℃/W。
因為在本例中PCB是散熱器，作為參考，此熱阻可以使用面積500mm2的銅墊片獲得。
由于緊靠三端雙向晶閘管的其他非消耗性元件將會降低實際的熱阻，而消耗功率的任何元件都將增加熱阻。因此，這對測量模型以發現真實散熱性能非常重要。
電動工具的Tjmax預測
高功率電鉆使用通用電刷電動機，其速度由半波相位控制電路控制。計算SCR(硅可控整流器)中的最大功率消耗和計算散熱器熱阻都需要將結點溫度保持在Tjmax以下。
a 設計參數
正常運行時電動機峰值電流 = 5A；
最高環境溫度為50℃；
在三端雙向晶閘管開關中的安裝需要表面貼裝的三端雙向晶閘管，SCR 由電動機冷卻風扇進行冷卻。
b 設計計算
為了給必須面對的重復過載條件提供高度重復電涌保證，本設計選用BTH151S-650R。其額定電流為12A ，采用SOT428(DPAK)封裝。
由式3得，IT(AVE)= Ipk /? 5 /? 1.59A。
由式4得，I T(RMS)= Ipk / 2= 5 / 2= 2.5A。
根據數據表，Vo = 1.06V 和 Rs = 0.0304健?由式1得，P=Vo× IT(AVE) + Rs × IT(RMS)2= 1.06×1.59 + 0.0304× 2.52= 1.88W。
使用式5，Tj = Ta + P×Rth j-a。
已知Ta = 50℃和P = 1.88W，在本例中，Tj = Tjmax = 125℃。
重新整理該等式可得：Rth j-a= (Tj－Ta) / P= (125－50) / 1.88= 39.9℃/W。
由式6得，Rth j-a = Rth j-mb + Rth mb-hs + Rth hs-a。
根據數據表，Rth j-mb = 1.8℃/W。
重新整理該等式可得：Rth mb-a= Rth j-a －Rth j-mb= 39.9－1.8= 38.1℃/W。
38℃/W的最大散熱器熱阻將Tj保持在125℃或更低。此散熱器熱阻包括穩態條件且在少量氣流通過開關模塊時也很容易實現。
