正負(fù)電源基礎(chǔ)知識(shí)以及如何符合雙向可控硅觸發(fā)要求

　　摘要

　　電源電壓在某些情況下被視為正電壓或者負(fù)電壓。對(duì)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(fù)電源”聽(tīng)起來(lái)怪怪的，畢竟集成電路從來(lái)不使用負(fù)電壓。

　　在有些情況下，雙向可控硅驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)先選用負(fù)電壓。本文介紹幾個(gè)簡(jiǎn)單的雙向可控硅正電源驅(qū)動(dòng)解決方案。

　　正電源和負(fù)電源

　　如果功率半導(dǎo)體控制電路需要使用電源，且驅(qū)動(dòng)參考端子連至市電(相線或零線端子)，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?yàn)榻涣鏖_(kāi)關(guān)控制電路及其電源必須以參考端子為參考點(diǎn)(回連到相線電壓)，所以需要非隔離型電源。

　　將開(kāi)關(guān)的驅(qū)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(qū)動(dòng)參考端子。

　　• 方案2:將控制電路電源電壓端子(VDD)連到驅(qū)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(qū)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(相線或零線)，市電端子與驅(qū)動(dòng)參考端子(VSS)相連，所以這種拓?fù)湟步姓娫打?qū)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中的零線端子)之上5V。

　　這個(gè)拓?fù)渲贿m用于標(biāo)準(zhǔn)雙向可控硅或SCR，不能與非標(biāo)準(zhǔn)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(fù)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，即以相線電壓為參考點(diǎn)-5V。

　　這個(gè)拓?fù)淇捎糜谒械碾p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(qū)動(dòng)參考端子之間施加?xùn)烹娏?參見(jiàn)意法半導(dǎo)體的AN3168應(yīng)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(fù)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(fù)電流(從COM流向G)。

　　使用正電流驅(qū)動(dòng)SCR很容易。如果SCR的陰極連接VSS端子，如圖1a所示，當(dāng)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(qū)動(dòng)ACS開(kāi)關(guān)需要負(fù)電源，如圖1b所示。當(dāng)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(jù)柵電流的極性和開(kāi)關(guān)導(dǎo)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(dāng)電流是流向柵極時(shí)，柵電流為正電流。以驅(qū)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(fù)柵電流和正柵電壓

　　• 象限3:負(fù)柵電流和負(fù)柵電壓

　　• 象限4:正柵電流和負(fù)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(dǎo)體技術(shù)。

　　因?yàn)镾CR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(dǎo)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(qū)動(dòng)電路的電源極性的兼容性。不難看出，負(fù)電源兼容除SCR外所有交流開(kāi)關(guān)技術(shù)。負(fù)電源驅(qū)動(dòng)電路更換元器件更靈活，不受技術(shù)限制，因此，負(fù)輸出是首選。

　　表1.開(kāi)關(guān)的觸發(fā)象限和開(kāi)關(guān)與直接驅(qū)動(dòng)正負(fù)電源的兼容性

　　電源拓?fù)鋵?duì)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(xiàn)問(wèn)題。如表1所示，在這種情況下不能實(shí)現(xiàn)直接控制。

　　此外，為符合能效標(biāo)準(zhǔn)對(duì)待機(jī)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(zhuǎn)換器的選擇，因?yàn)榻祲恨D(zhuǎn)換器是低輸出電流離線轉(zhuǎn)換器最常用拓?fù)洹?/p>

　　在很多情況下只需要控制交流開(kāi)關(guān)，所以可以考慮負(fù)電源。降壓升壓轉(zhuǎn)換器支持負(fù)電壓輸出，而且拓?fù)涞膶?shí)現(xiàn)與降壓轉(zhuǎn)換器一樣容易。此外，與降壓轉(zhuǎn)換器相比，降壓升壓轉(zhuǎn)換器節(jié)省了輸出負(fù)載電阻或輸出齊納二極管。在每支MOSFET導(dǎo)通期間，降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電容充電，在無(wú)負(fù)載或負(fù)載較小時(shí)，導(dǎo)致輸出電流過(guò)大。

　　與降壓轉(zhuǎn)換器相比，降壓升壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器內(nèi)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(zhuǎn)換器內(nèi)部，電感器電流只在續(xù)流二極管導(dǎo)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(zhuǎn)換器與降壓轉(zhuǎn)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?fù)涞哪苄Щ鞠嗤?/p>

　　不過(guò)，即便開(kāi)關(guān)電源有負(fù)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(jī)功耗。正電壓線性穩(wěn)壓器的內(nèi)部功耗低于50 µA，而負(fù)電壓穩(wěn)壓器的功耗大約2 mA，該靜態(tài)電流對(duì)開(kāi)關(guān)電源待機(jī)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(yīng)用廣泛，而且很難找到功耗很低的3.3 V負(fù)電壓穩(wěn)壓器。

　　基于這些原因，圖2的電路示意圖整合了負(fù)電源和正穩(wěn)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(wěn)壓器，與“負(fù)”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(zhuǎn)換器或反激式轉(zhuǎn)換器的輸出(參見(jiàn)意法半導(dǎo)體的AN4564應(yīng)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(fù)電源配合正穩(wěn)壓器

　　通過(guò)修改柵極電路，可以使用正電源驅(qū)動(dòng)三象限雙向可控硅

　　除了選擇電源拓?fù)渫?，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(jiān)視某些電參數(shù)。例如，在通用電機(jī)控制器內(nèi)部，通常給交流開(kāi)關(guān)串聯(lián)一個(gè)分流器，檢測(cè)負(fù)載電流，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速或扭矩閉環(huán)控制。在電表應(yīng)用中，計(jì)算電網(wǎng)輸入的電能，必須測(cè)量市電參數(shù)。

　　過(guò)去，驅(qū)動(dòng)電路使用正電源的原因是，被測(cè)量電壓隨著分流或相線電壓升高而升高，這樣設(shè)計(jì)在邏輯上似乎更合理。

　　這些應(yīng)用電路圖也可以改用負(fù)電源。如果考慮反極性測(cè)量方法，微控制器固件邏輯也得修改(詳見(jiàn)應(yīng)用筆記AN4564)。

　　如果確定使用正電源，驅(qū)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(dāng)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?yàn)槿笙薜碾p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(fù)電壓，雙向可控硅開(kāi)關(guān)不會(huì)導(dǎo)通(但是，如果該電壓是正電壓，則可以導(dǎo)通，即第一象限觸發(fā)條件)。

　　• 當(dāng)C1電容充滿電時(shí)(連接微控制器電源，這里是5 V)，柵電流消失。

　　• 當(dāng)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(fù)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(fù)電壓。直到電容C1放電，負(fù)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?yàn)锳CS開(kāi)關(guān)在COM和G端子之間有一個(gè)P-N結(jié)，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(qū)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(qū)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?yàn)橹刂没蜷V鎖而終止工作，電容就可以阻止直流電流，提高應(yīng)用的安全水平。

　　結(jié)論

　　為符合各種能效標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)待機(jī)功耗的規(guī)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(fù)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(fù)輸出。

　　正電壓輸出的優(yōu)點(diǎn)是可以降低待機(jī)功耗。本文介紹兩個(gè)解決方案，一個(gè)是通過(guò)修改驅(qū)動(dòng)電路，使正穩(wěn)壓器配合負(fù)電源，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。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。