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新闻动态

电源双向可控硅触发的要求

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来源:何先生 发布时间:2017-03-17 09:56:35
摘要:
在有些情况下,双向可控硅驱动电路优先选用负电压。本文介绍几个简单的双向可控硅正电源驱动解决方案。

电源输出极性与交流开关技术的兼容性

闭合一个交流开关,像其它双极器件一样,必须在开关的栅极(G)与驱动参考端子之间施加栅电流(参见意法半导体的AN3168应用笔记)

这样会发生几种情况。

•   如果是SCR,栅电流必须是正电流(G流向K)

•   如果是双向可控硅和ACST,栅电流正负极性均可(与开关上施加的电压有关)

•   如果是ACS,栅电流必须是负电流(COM流向G)

使用正电流驱动SCR很容易。如果SCR的阴极连接VSS端子,当控制电路(通常是微控制器)的输出引脚置高电平时,控制电路向SCR栅极输出电流。

另一方面,直接驱动ACS开关需要负电源,当控制电路输出引脚置低电平时,控制电路从SCR栅极吸收电流。

根据栅电流的极性和开关导通前施加的电压极性,我们可以把双向可控硅、ACSACST的触发条件分为四个象限。当电流是流向栅极时,栅电流为正电流。以驱动参考端子为参考点,该拉电流的电压为正电压。四个象限分别是

•   象限1:正栅电流和正栅电压

•   象限2:负栅电流和正栅电压

•   象限3:负栅电流和负栅电压

•   象限4:正栅电流和负栅电压

双向控硅、ACSACST可以在每个象限或只在部分象限被激活,具体情况视开关所采用的半导体技术。

因为SCR开关只有正栅电流才能闭合,阴极与阳极端子加正电压才能使其导通,所以使用SCR时通常不考虑触发象限条件。

电源拓扑对输出极性的影响

如果使用正电源控制微控制器触发三象限双向可控硅、ACSTACS,就会出现问题。

此外,为符合能效标准对待机功耗的要求,常常使用开关式电源(SMPS)。正输出开关式电源的选择主要取决于降压转换器的选择,因为降压转换器是低输出电流离线转换器最常用拓扑。

在很多情况下只需要控制交流开关,所以可以考虑负电源。降压升压转换器支持负电压输出,而且拓扑的实现与降压转换器一样容易。此外,与降压转换器相比,降压升压转换器节省了输出负载电阻或输出齐纳二极管。在每支MOSFET导通期间,降压转换器的输出电容充电,在无负载或负载较小时,导致输出电流过大。

与降压转换器相比,降压升压转换器的能效(以及最大输出电流)更低,输出电容更大。在降压转换器内部,电感器的全部电流都用于给输出电容充电,而在降压升压转换器内部,电感器电流只在续流二极管导通时给输出电容充电。但是,230 V AC / 12 V DC变流器的占空比非常低,所以降压升压转换器与降压转换器之间的性能差距不大。在采用相同电抗器件的条件下,两个拓扑的能效基本相同。

不过,即便开关电源有负输出,最好也是选择正输出的开关电源。正输出可降低待机功耗。正电压线性稳压器的内部功耗低于50 µA,而负电压稳压器的功耗大约2 mA,该静态电流对开关电源待机功耗影响巨大。

选择正电压输出的另一个原因是,目前3.3 V微控制器应用广泛,而且很难找到功耗很低的3.3 V负电压稳压器。

通过修改栅极电路,可以使用正电源驱动三象限双向可控硅

除了选择电源拓扑外,需要使用正电源还有其它原因。

例如,传感器以市电为参考电压是为了监视某些电参数。例如,在通用电机控制器内部,通常给交流开关串联一个分流器,检测负载电流,实现转速或扭矩闭环控制。在电表应用中,计算电网输入的电能,必须测量市电参数。

过去,驱动电路使用正电源的原因是,被测量电压随着分流或相线电压升高而升高,这样设计在逻辑上似乎更合理。

这些应用电路图也可以改用负电源。如果考虑反极性测量方法,微控制器固件逻辑也得修改(详见应用笔记AN4564)

如果确定使用正电源,驱动三象限双向可控硅、ACSACST还有一个解决方案,就是给栅极电阻(R1)串联一个电容(C1),以便从双向可控硅的栅极吸收电流。

这个电路示意图的工作原理如下:

•   当微控制器I/O引脚置高电平(VDD)时,电容C1充电,通过电阻R1吸收双向可控硅栅电流。因为三象限的双向可控硅无法在第4象限触发,如果A2A1两个端子之间是负电压,双向可控硅开关不会导通(但是,如果该电压是正电压,则可以导通,即第一象限触发条件)。

•   C1电容充满电时(连接微控制器电源,这里是5 V),栅电流消失。

•   当微控制器I/O引脚置低电平(VSS)时,电容C1放电,通过电阻R1向双向可控硅栅极输出负电流。双向可控硅在第2或第3象限触发,具体情况取决于可控硅端子上是正电压还是负电压。直到电容C1放电,负电流才会消失。 

结论

为符合各种能效标准有关待机功耗的规定,电源解决方案常常使用开关式电源,正输出电源比较常用,不过,负电源电压兼容各种交流开关,所以有些情况下还会优先选用负输出。

正电压输出的优点是可以降低待机功耗。本文介绍两个解决方案,一个是通过修改驱动电路,使正稳压器配合负电源,实现优势互补。另一个解决方案是在栅极电路上增加一个电容,即使选择了正电源,仍然可以从双向可控硅栅极吸收电流。