|
作者: Laurent GONTHIER, Jan DRESER 摘要 電源電壓在某些情況下被視為正電壓或者負電壓。對于不經(jīng)常跟雙向可控硅開(kāi)關(guān)管打交道的人來(lái)說(shuō)，“負電源”聽(tīng)起來(lái)怪怪的，畢竟集成電路從來(lái)不使用負電壓。 在有些情況下，雙向可控硅驅動(dòng)電路優(yōu)先選用負電壓。本文介紹幾個(gè)簡(jiǎn)單的雙向可控硅正電源驅動(dòng)解決方案。 正電源和負電源 如果功率半導體控制電路需要使用電源，且驅動(dòng)參考端子連至市電(相線(xiàn)或零線(xiàn)端子)，則需要使用非隔離電源。 雙向可控硅、ACST、ACS或SCR(可控硅整流管)等交流開(kāi)關(guān)的觸發(fā)電路就屬于這種情況。這些開(kāi)關(guān)器件都是由柵電流控制。柵電流必須加在柵極引腳上，流經(jīng)柵極和參考端子，參考端子包括SCR的陰極(K)、雙向可控硅的A1端子或ACST和ACS開(kāi)關(guān)的COM端子。 因為交流開(kāi)關(guān)控制電路及其電源必須以參考端子為參考點(diǎn)(回連到相線(xiàn)電壓)，所以需要非隔離型電源。 將開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)參考端子連到非隔離型電源有兩種方案： • 方案 1: 將控制電路接地端子(VSS)連到驅動(dòng)參考端子。 • 方案 2: 將控制電路電源電壓端子(VDD)連到驅動(dòng)參考端子。 
圖1：電源極性定義 方案1是最常見(jiàn)的解決方案，開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)參考端子是零電壓點(diǎn)(VSS)，如圖1a所示。電源電壓(VDD)高于市電端子的電位 (相線(xiàn)或零線(xiàn))，市電端子與驅動(dòng)參考端子(VSS)相連，所以這種拓撲也叫正電源驅動(dòng)電路。如果電源電壓是5V，則VDD是在市電參考電壓(例如，圖1a中的零線(xiàn)端子)之上5V。 這個(gè)拓撲只適用于標準雙向可控硅或SCR，不能與非標準的雙向可控硅、ACS和ACS使用，原因解釋見(jiàn)下文。不過(guò)只要做一些簡(jiǎn)單的修改，即可用正電源控制所有這些開(kāi)關(guān)，本文最后進(jìn)行說(shuō)明。 方案2是負電源，如圖1b所示。電源參考端子電壓(VSS)低于與市電參考端子相連的A1或COM端子的電壓。如果電源電壓是5V，則VSS是在市電參考電壓之下5V，即以相線(xiàn)電壓為參考點(diǎn)-5V。 這個(gè)拓撲可用于所有的雙向可控硅、ACS和ACST，但是不能用于可控硅整流管，原因解釋見(jiàn)下文。 電源輸出極性與交流開(kāi)關(guān)技術(shù)的兼容性 閉合一個(gè)交流開(kāi)關(guān)，像其它雙極器件一樣，必須在開(kāi)關(guān)的柵極(G)與驅動(dòng)參考端子之間施加柵電流(參見(jiàn)意法半導體的AN3168應用筆記)。 這樣會(huì )發(fā)生幾種情況。 • 如果是SCR，柵電流必須是正電流(從G流向K)。 • 如果是雙向可控硅和ACST，柵電流正負極性均可(與開(kāi)關(guān)上施加的電壓有關(guān))。 • 如果是ACS，柵電流必須是負電流(從COM流向G)。 使用正電流驅動(dòng)SCR很容易。如果SCR的陰極連接VSS端子，如圖1a所示，當控制電路（通常是微控制器）的輸出引腳置高電平時(shí)，控制電路向SCR柵極輸出電流。 另一方面，直接驅動(dòng)ACS開(kāi)關(guān)需要負電源，如圖1b所示。當控制電路輸出引腳置低電平時(shí)，控制電路從SCR柵極吸收電流。 根據柵電流的極性和開(kāi)關(guān)導通前施加的電壓極性，我們可以把雙向可控硅、ACS和ACST的觸發(fā)條件分為四個(gè)象限。當電流是流向柵極時(shí)，柵電流為正電流。以驅動(dòng)參考端子為參考點(diǎn)，該拉電流的電壓為正電壓。四個(gè)象限分別是 • 象限1: 正柵電流和正柵電壓 • 象限2: 負柵電流和正柵電壓 • 象限3: 負柵電流和負柵電壓 • 象限4: 正柵電流和負柵電壓 雙向控硅、ACS和ACST可以在每個(gè)象限或只在部分象限被激活，具體情況視開(kāi)關(guān)所采用的半導體技術(shù)。 因為SCR開(kāi)關(guān)只有正柵電流才能閉合，陰極與陽(yáng)極端子加正電壓才能使其導通，所以使用SCR時(shí)通常不考慮觸發(fā)象限條件。 下表列出了不同開(kāi)關(guān)的觸發(fā)象限和不同開(kāi)關(guān)與圖1直接驅動(dòng)電路的電源極性的兼容性。不難看出，負電源兼容除SCR外所有交流開(kāi)關(guān)技術(shù)。負電源驅動(dòng)電路更換元器件更靈活，不受技術(shù)限制，因此，負輸出是首選。
電源拓撲對輸出極性的影響 如果使用正電源控制微控制器觸發(fā)三象限雙向可控硅、ACST或ACS，就會(huì )出現問(wèn)題。如表1所示，在這種情況下不能實(shí)現直接控制。 此外，為符合能效標準對待機功耗的要求，常常使用開(kāi)關(guān)式電源(SMPS)。正輸出開(kāi)關(guān)式電源的選擇主要取決于降壓轉換器的選擇，因為降壓轉換器是低輸出電流離線(xiàn)轉換器最常用拓撲。 在很多情況下只需要控制交流開(kāi)關(guān)，所以可以考慮負電源。降壓升壓轉換器支持負電壓輸出，而且拓撲的實(shí)現與降壓轉換器一樣容易。此外，與降壓轉換器相比，降壓升壓轉換器節省了輸出負載電阻或輸出齊納二極管。在每支MOSFET導通期間，降壓轉換器的輸出電容充電，在無(wú)負載或負載較小時(shí)，導致輸出電流過(guò)大。 與降壓轉換器相比，降壓升壓轉換器的能效(以及最大輸出電流)更低，輸出電容更大。在降壓轉換器內部，電感器的全部電流都用于給輸出電容充電，而在降壓升壓轉換器內部，電感器電流只在續流二極管導通時(shí)給輸出電容充電。但是，230 V AC / 12 V DC變流器的占空比非常低，所以降壓升壓轉換器與降壓轉換器之間的性能差距不大。在采用相同電抗器件的條件下，兩個(gè)拓撲的能效基本相同。 不過(guò)，即便開(kāi)關(guān)電源有負輸出，最好也是選擇正輸出的開(kāi)關(guān)電源。正輸出可降低待機功耗。正電壓線(xiàn)性穩壓器的內部功耗低于50 µA，而負電壓穩壓器的功耗大約2 mA，該靜態(tài)電流對開(kāi)關(guān)電源待機功耗影響巨大。 選擇正電壓輸出的另一個(gè)原因是，目前3.3 V微控制器應用廣泛，而且很難找到功耗很低的3.3 V負電壓穩壓器。 基于這些原因，圖2的電路示意圖整合了負電源和正穩壓器的雙重優(yōu)點(diǎn)。在這個(gè)示意圖中，ST715M33R是最大靜態(tài)電流5.5 µA的正穩壓器，與“負”15V輸出相連，為微控制器提供3.3V電源電壓，其中，-15V電壓是基于VIPer06的降壓升壓轉換器或反激式轉換器的輸出 (參見(jiàn)意法半導體的AN4564應用筆記)。T1635T-8是一個(gè)T系列三象限雙向可控硅，微控制器能夠吸收T1635T-8的電流。
圖2：在雙向可控硅控制電路中負電源配合正穩壓器 通過(guò)修改柵極電路，可以使用正電源驅動(dòng)三象限雙向可控硅 除了選擇電源拓撲外，需要使用正電源還有其它原因。 例如，傳感器以市電為參考電壓是為了監視某些電參數。例如，在通用電機控制器內部，通常給交流開(kāi)關(guān)串聯(lián)一個(gè)分流器，檢測負載電流，實(shí)現轉速或扭矩閉環(huán)控制。在電表應用中，計算電網(wǎng)輸入的電能，必須測量市電參數。 過(guò)去，驅動(dòng)電路使用正電源的原因是，被測量電壓隨著(zhù)分流或相線(xiàn)電壓升高而升高，這樣設計在邏輯上似乎更合理。 這些應用電路圖也可以改用負電源。如果考慮反極性測量方法，微控制器固件邏輯也得修改(詳見(jiàn)應用筆記AN4564)。 如果確定使用正電源，驅動(dòng)三象限雙向可控硅、ACS或ACST還有一個(gè)解決方案，就是給柵極電阻(R1)串聯(lián)一個(gè)電容(C1)，如圖3a所示，以便從雙向可控硅的柵極吸收電流。 這個(gè)電路示意圖的工作原理如下： • 當微控制器I/O引腳置高電平(VDD)時(shí)，電容C1充電，通過(guò)電阻R1吸收雙向可控硅柵電流。因為三象限的雙向可控硅無(wú)法在第4象限觸發(fā)，如果A2和A1兩個(gè)端子之間是負電壓，雙向可控硅開(kāi)關(guān)不會(huì )導通（但是，如果該電壓是正電壓，則可以導通，即第一象限觸發(fā)條件）。 • 當C1電容充滿(mǎn)電時(shí)(連接微控制器電源，這里是5 V)，柵電流消失。 • 當微控制器I/O引腳置低電平(VSS)時(shí)，電容C1放電，通過(guò)電阻R1向雙向可控硅柵極輸出負電流。雙向可控硅在第2或第3象限觸發(fā)，具體情況取決于可控硅端子上是正電壓還是負電壓。直到電容C1放電，負電流才會(huì )消失。 圖3b是圖3a示意圖的衍生圖，用于控制ACS開(kāi)關(guān)的特殊情況(像本例中的ACS108一樣)。因為ACS開(kāi)關(guān)在COM和G端子之間有一個(gè)P-N結，禁止任何拉電流從G流向COM，二極管D1是微控制器I/O引腳置高電平時(shí)用于給電容C1充電。
圖3：正電源供電的三象限雙向可控硅或ACS驅動(dòng)電路 在這兩個(gè)示意圖中，只要微控制器I/O引腳施加一個(gè)短電壓脈沖，驅動(dòng)電路就會(huì )施加不同的柵電流。這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)在于，萬(wàn)一微控制器因為重置或閂鎖而終止工作，電容就可以阻止直流電流，提高應用的安全水平。 結論 為符合各種能效標準有關(guān)待機功耗的規定，電源解決方案常常使用開(kāi)關(guān)式電源，正輸出電源比較常用，不過(guò)，負電源電壓兼容各種交流開(kāi)關(guān)，所以有些情況下還會(huì )優(yōu)先選用負輸出。 正電壓輸出的優(yōu)點(diǎn)是可以降低待機功耗。本文介紹兩個(gè)解決方案，一個(gè)是通過(guò)修改驅動(dòng)電路，使正穩壓器配合負電源，實(shí)現優(yōu)勢互補。另一個(gè)解決方案是在柵極電路上增加一個(gè)電容，即使選擇了正電源，仍然可以從雙向可控硅柵極吸收電流。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
