正負電源基礎知識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電壓。對于不經(jīng)常跟雙向可控硅開關(guān)管打交道的人來說，“負電源”聽起來怪怪的，畢竟集成電路從來不使用負電壓。

　　在有些情況下，雙向可控硅驅(qū)動電路優(yōu)先選用負電壓。本文介紹幾個簡單的雙向可控硅正電源驅(qū)動解決方案。

　　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(qū)動參考端子連至市電(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)等交流開關(guān)的觸發(fā)電路就屬于這種情況。這些開關(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開關(guān)的COM端子。

　　因為交流開關(guān)控制電路及其電源必須以參考端子為參考點(回連到相線電壓)，所以需要非隔離型電源。

　　將開關(guān)的驅(qū)動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)動參考端子。

　　• 方案2:將控制電路電源電壓端子(VDD)連到驅(qū)動參考端子。

　　圖1：電源極性定義

　　方案1是最常見的解決方案，開關(guān)的驅(qū)動參考端子是零電壓點(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)動參考端子(VSS)相連，所以這種拓撲也叫正電源驅(qū)動電路。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，原因解釋見下文。不過只要做一些簡單的修改，即可用正電源控制所有這些開關(guān)，本文最后進行說明。

　　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，即以相線電壓為參考點-5V。

　　這個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，原因解釋見下文。

　　電源輸出極性與交流開關(guān)技術(shù)的兼容性

　　閉合一個交流開關(guān)，像其它雙極器件一樣，必須在開關(guān)的柵極(G)與驅(qū)動參考端子之間施加柵電流(參見意法半導體的AN3168應用筆記)。

　　這樣會發(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(qū)動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，控制電路向SCR柵極輸出電流。

　　另一方面，直接驅(qū)動ACS開關(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，控制電路從SCR柵極吸收電流。

　　根據(jù)柵電流的極性和開關(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)條件分為四個象限。當電流是流向柵極時，柵電流為正電流。以驅(qū)動參考端子為參考點，該拉電流的電壓為正電壓。四個象限分別是

　　• 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可以在每個象限或只在部分象限被激活，具體情況視開關(guān)所采用的半導體技術(shù)。

　　因為SCR開關(guān)只有正柵電流才能閉合，陰極與陽極端子加正電壓才能使其導通，所以使用SCR時通常不考慮觸發(fā)象限條件。

　　下表列出了不同開關(guān)的觸發(fā)象限和不同開關(guān)與圖1直接驅(qū)動電路的電源極性的兼容性。不難看出，負電源兼容除SCR外所有交流開關(guān)技術(shù)。負電源驅(qū)動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。

　　表1.開關(guān)的觸發(fā)象限和開關(guān)與直接驅(qū)動正負電源的兼容性

　　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，就會出現(xiàn)問題。如表1所示，在這種情況下不能實現(xiàn)直接控制。

　　此外，為符合能效標準對待機功耗的要求，常常使用開關(guān)式電源(SMPS)。正輸出開關(guān)式電源的選擇主要取決于降壓轉(zhuǎn)換器的選擇，因為降壓轉(zhuǎn)換器是低輸出電流離線轉(zhuǎn)換器最常用拓撲。

　　在很多情況下只需要控制交流開關(guān)，所以可以考慮負電源。降壓升壓轉(zhuǎn)換器支持負電壓輸出，而且拓撲的實現(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)省了輸出負載電阻或輸出齊納二極管。在每支MOSFET導通期間，降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電容充電，在無負載或負載較小時，導致輸出電流過大。

　　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)流二極管導通時給輸出電容充電。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，兩個拓撲的能效基本相同。

　　不過，即便開關(guān)電源有負輸出，最好也是選擇正輸出的開關(guān)電源。正輸出可降低待機功耗。正電壓線性穩(wěn)壓器的內(nèi)部功耗低于50 µA，而負電壓穩(wěn)壓器的功耗大約2 mA，該靜態(tài)電流對開關(guān)電源待機功耗影響巨大。

　　選擇正電壓輸出的另一個原因是，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(wěn)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(wěn)壓器的雙重優(yōu)點。在這個示意圖中，ST715M33R是最大靜態(tài)電流5.5 µA的正穩(wěn)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(zhuǎn)換器或反激式轉(zhuǎn)換器的輸出(參見意法半導體的AN4564應用筆記)。T1635T-8是一個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(wěn)壓器

　　通過修改柵極電路，可以使用正電源驅(qū)動三象限雙向可控硅

　　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(jiān)視某些電參數(shù)。例如，在通用電機控制器內(nèi)部，通常給交流開關(guān)串聯(lián)一個分流器，檢測負載電流，實現(xiàn)轉(zhuǎn)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(shù)。

　　過去，驅(qū)動電路使用正電源的原因是，被測量電壓隨著分流或相線電壓升高而升高，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(詳見應用筆記AN4564)。

　　如果確定使用正電源，驅(qū)動三象限雙向可控硅、ACS或ACST還有一個解決方案，就是給柵極電阻(R1)串聯(lián)一個電容(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，電容C1充電，通過電阻R1吸收雙向可控硅柵電流。因為三象限的雙向可控硅無法在第4象限觸發(fā)，如果A2和A1兩個端子之間是負電壓，雙向可控硅開關(guān)不會導通(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電容充滿電時(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，電容C1放電，通過電阻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，負電流才會消失。

　　圖3b是圖3a示意圖的衍生圖，用于控制ACS開關(guān)的特殊情況(像本例中的ACS108一樣)。因為ACS開關(guān)在COM和G端子之間有一個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)動電路

　　在這兩個示意圖中，只要微控制器I/O引腳施加一個短電壓脈沖，驅(qū)動電路就會施加不同的柵電流。這種控制方法的優(yōu)點在于，萬一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(jié)論

　　為符合各種能效標準有關(guān)待機功耗的規(guī)定，電源解決方案常常使用開關(guān)式電源，正輸出電源比較常用，不過，負電源電壓兼容各種交流開關(guān)，所以有些情況下還會優(yōu)先選用負輸出。

　　正電壓輸出的優(yōu)點是可以降低待機功耗。本文介紹兩個解決方案，一個是通過修改驅(qū)動電路，使正穩(wěn)壓器配合負電源，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。另一個解決方案是在柵極電路上增加一個電容，即使選擇了正電源，仍然可以從雙向可控硅柵極吸收電流。