如何利用一個光電雙向晶閘管實現(xiàn)ACS交流開關觸發(fā)電
前言
今天市場上銷售的固態(tài)開關采用多種不同的技術和設計。標準雙向晶閘管和無緩沖器的雙向晶閘管以及90年代初推出的ACS系列產(chǎn)品是大家最熟悉的固態(tài)開關產(chǎn)品,這些開關的導通都是由柵電流觸發(fā)的,但是,根據(jù)所采用的技術或設計,該電流可以是從柵極灌入的電流或者源出到柵極的電流。因此,觸發(fā)電路必須考慮AC開關類型,然后正確地觸發(fā)AC開關。對于ACS開關,因為采用硅結構,所以柵電流只能是從柵極灌入。
在某些情況下,控制電路還必須與交流電源電壓隔離,例如,當微控制器參考電壓與AC開關參考電壓不同時,控制電路必須與交流電源電壓隔離。當一個新電器采用一個變頻器控制3相電機時,如果微控制器連接在直流電壓軌上,而且ACS開關以線路電壓為參考電壓,控制電路就必須與交流電源電壓隔離。如果設計人員想要從線路上隔離全部低壓電路,控制電路也必須與交流電源電壓隔離。這種解決方案通常情況下成本昂貴,因為使用一個絕緣性能良好的用戶界面、使所有電子電路都以線路為參考電壓的解決方案更簡單,控制面板上只有幾個按鈕的電器設計就屬于這種情況。
標準的雙向晶閘管觸發(fā)電路電壓隔離解決方案是在雙向晶閘管的A2和G端子上串聯(lián)一個光電雙向晶閘管。當然,還需串聯(lián)一個電阻,以降低光電晶閘管上的柵電流。這種驅動解決方案適合所的雙向晶閘管。因此,當雙向晶閘管上的電壓在導通前是正電壓時,正柵極電流觸發(fā)晶閘管導通,相反,當晶閘管導通前是負電壓時,負柵極電流觸發(fā)晶閘管導通。因此,雙向晶閘管在Q1和Q3象限內導通。
如前文所述,ACS開關只能由負電流觸發(fā)。如果使用光電晶閘管驅動ACS開關,ACS只能在負偏壓時導通(因為在負偏壓時柵電流是負電流),這將導致ACS開關只能半周期導通。
這種開關模式不適用于大多數(shù)應用,但是,有些新應用只需要半周期導通模式。例如,內置一個二極管的咖啡機電泵和洗衣機艙門鎖電磁鐵,這些應用都只需一個半周期導通操作。
如果線路電壓施加到柵極和COM端子上,ACS開關內部P-N結可能會被燒毀,因為該開關的耐擊穿電壓大約10V。當開關處理瞬變電壓或光電晶閘管短路時,就會發(fā)生這種情況。解決辦法是在COM-G結上并聯(lián)一個低壓或高壓二極管,或者給光電晶雙向閘管串聯(lián)一個低壓或高壓二極管(圖1)。注意,在第二種情況(光電雙向晶閘管串聯(lián)一個二極管)中,可以用一個陽極連接ACS柵極的反向隔離光電單向晶閘管替代光電雙向晶閘管。
圖1 – 采用光電雙向晶閘管的半周期ACS開關控制解決方案
對于家電,大多數(shù)負載采用全周期控制模式。為確保ACS開關每個周期都能導通,我們必須修改前面的電路示意圖。解決辦法是增加一個低壓電容,用于在開始正電流導通時施加一個柵極電流。如圖2所示,該解決方案還使用兩個低壓二極管,工作原理如圖3所示。
-1: 光電雙向晶閘管導通,電容C充電,直到VGT 為止(~ 0.7 V)。然后,ACS在第3象限導通,IGT 電流小于第2象限的柵導通電流。
-2: ACS保持通態(tài),直到下一個零電流交叉點為止。G-COM電壓降至-0.7 V,電容C充電。
-3: ACS開關電流增強,VG-COM 電壓升高,電容C通過G極和COM極放電,并在柵極上施加最大10 mA的峰流,使ACS開關導通。
若想施加更大的柵電流,須選用330 µF左右的電容。
應該注意的是,ACS開關每個周期都將會關斷,電容C利用這段時間充電。當端子上的電壓超過大約10V時,ACS開關將會導通。因為線路電流沒有切斷,所以這種特性不會導致EMI干擾過大。因為電容C的原因,線路電流的波形仍然近似正弦波。
這三個電路圖還能修改,在電阻R和光電雙向晶閘管之間增加一個阻容緩沖電路,可以提高最終開關的抗干擾性,擴大柵脈寬,更好地觸發(fā)交流開關。
圖 2 – 采用光電雙向晶閘管的全周期ACS開關控制解決方案
圖3 – 圖2電路的工作曲線圖
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