简单的双向晶闸管正功率驱动解决方案

在某些情况下，电源电压被认为是正电压或负电压. 对于不经常使用三端双向可控硅开关的人来说，“负电源”听起来很奇怪，毕竟集成电路从不使用负电压.

在某些情况下，双向晶闸管驱动电路最好使用负电压. 本文介绍了一些简单的双向晶闸管正功率驱动解决方案.

正电源和负电源

如果功率半导体控制电路需要使用电源，并且驱动参考端子连接到电源（相线或中性线端子），则需要使用非隔离式电源.

这种情况下用于双向晶闸管，ACST，ACS或SCR（可控硅整流器）的AC开关的触发电路. 这些开关器件由栅极电流控制. 栅极电流必须施加到栅极引脚，并流过栅极和参考端子. 参考端子包括SCR的阴极（K），双向可控硅的A1端子或ACST和ACS开关的COM端子.

由于交流开关控制电路及其电源必须使用参考端子作为参考点（连接到相线电压），因此需要非隔离电源.

有两个选项可用于将开关的驱动器参考端子连接到非隔离电源:

•选项1: 将控制电路接地端子（VSS）连接到驱动器参考端子.

选项2: 将控制电路的电源电压端子（VDD）连接到驱动器参考端子.

图1: 电源极性的定义

解决方案1是最常见的解决方案. 开关的驱动参考端子为零电压点（VSS），如图1a所示. 电源电压（VDD）高于电源端子的电势（相线或中性线）. 电源端子连接到驱动参考端子（VSS），因此此拓扑也称为正电源驱动电路. 如果电源电压为5V，则VDD比市电参考电压高5V（例如，图1a中的中性端子）.

此拓扑仅适用于标准三端双向可控硅开关或SCR，不能与非标准三端双向可控硅开关双向可控硅做交流开关，ACS和ACS一起使用. 原因说明如下. 但是，只要进行一些简单的修改，所有这些开关都可以通过正电源进行控制，这将在本文的结尾进行解释.

选项2是负电源，如图1b所示. 电源参考端子电压（VSS）低于连接到电源参考端子的A1或COM端子的电压. 如果电源电压为5V，则VSS比市电参考电压低5V，以相线电压为参考点，该电压为-5V.

此拓扑可用于所有三端双向可控硅开关元件，ACS和ACST，但不能用于晶闸管.

电源输出极性与交流开关技术的兼容性

关闭交流开关. 与其他双极型器件一样，必须在开关的栅极（G）与驱动参考端子之间施加栅极电流（请参阅ST3的AN3168应用笔记）.

发生了几件事.

•对于SCR，栅极电流必须为正电流（从G到K）.

•对于双向晶闸管和ACST，栅极电流的正极性和负极性（与施加到开关的电压有关）.

•对于ACS，栅极电流必须为负电流（从COM到G）.

以正电流驱动SCR很容易. 如果SCR的阴极连接到VSS端子，如图1a所示，则当控制电路（通常是微控制器）的输出引脚设置为高电平时，控制电路将电流输出到SCR栅极.

另一方面，直接驱动ACS开关需要负电源，如图1b所示. 当控制电路的输出引脚设置为低电平时，控制电路从SCR栅极吸收电流.

根据栅极电流的极性和在接通开关之前施加的电压的极性，我们可以将双向可控硅，ACS和ACST的触发条件分为四个象限. 当电流流向栅极时，栅极电流为正电流. 以驱动参考端为参考点，电流源的电压为正电压. 四个象限是

•象限1: 正栅极电流和正栅极电压

•象限2: 负栅极电流和正栅极电压

•象限3: 栅极负电流和栅极负电压

•象限4: 正栅极电流和负栅极电压

取决于开关中使用的半导体技术，双向晶闸管，ACS和ACST可以在每个象限或仅在某些象限中激活.

因为只能关闭SCR开关的正栅极电流，并且在阴极和阳极端子上施加正电压使其导通，所以使用SCR时通常不考虑触发象限条件.

下表列出了不同开关的触发象限以及不同开关与直接驱动电路电源极性的兼容性，如图1所示. 不难看出负电源与所有交流开关技术都兼容除了SCR. 负电源驱动电路更换组件更灵活，不受技术限制，因此，负输出是首选.

表1.开关的触发象限以及该开关与直接驱动的正电源和负电源的兼容性

电源拓扑对输出极性的影响

如果使用正电源来控制微控制器以触发三象限双向可控硅双向可控硅做交流开关，ACST或ACS，则会出现问题. 如表1所示，在这种情况下无法实现直接控制.

此外，为了满足待机功耗的能源效率标准，经常使用开关电源（SMPS）. 正输出开关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的拓扑.

在许多情况下，您只需要控制AC开关即可，因此可以考虑使用负电源. 降压升压转换器支持负电压输出，其拓扑结构与降压转换器一样容易实现. 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. 在每个MOSFET导通期间，降压转换器的输出电容器都会充电，这在无负载或负载小的情况下会导致输出电流过大.

与降压转换器相比，降压-升压转换器具有较低的能量效率（和最大输出电流）和较大的输出电容. 在降压转换器内部，电感器的全部电流用于对输出电容器充电，而在降压-升压转换器中，电感器电流仅在续流二极管导通时才对输出电容器充电. 但是，230 V AC / 12 V DC转换器的占空比非常低，因此降压/升压转换器和降压转换器之间的性能差距并不大. 在使用相同的电抗设备的条件下，两种拓扑的能量效率基本相同.

但是，即使开关电源的输出为负，最好选择一个正输出的开关电源. 正输出减少了待机功耗. 正电压线性稳压器的内部功耗小于50 µA，而负电压稳压器的功耗约为2 mA. 静态电流会对开关电源的待机功耗产生巨大影响.

选择正电压输出的另一个原因是当前广泛使用3.3 V微控制器，并且很难找到功耗非常低的3.3 V负稳压器.

出于这些原因，图2的电路图结合了负电源和正稳压器的双重优势. 在该原理图中，ST715M33R是一个正稳压器，最大静态电流为5.5 µA. 它连接到“负” 15V输出，并为微控制器提供3.3V电源电压. 其中，-15V电压基于VIPer06的降压-升压转换或反激转换器（请参阅意法半导体的ST456应用笔记）. T1635T-8是T系列三象限双向晶闸管，微控制器可以吸收T1635T-8的电流.

图2: 在双向晶闸管控制电路中，负电源与正稳压器配合

通过修改门电路，可以使用正电源来驱动三象限双向晶闸管

除了选择电源拓扑之外，还有使用正电源的其他原因.

例如，传感器使用干线作为参考电压来监视某些电气参数. 例如，在通用电动机控制器内部，通常将一个分流器串联到交流开关上，以检测负载电流并实现速度或转矩的闭环控制. 在电表的应用中，要计算电网输入的电能，必须测量电源参数.

过去，驱动电路使用正电源的原因是被测电压随分流或相线电压的增加而增加. 这种设计在逻辑上似乎更合理.

这些应用电路图也可以切换到负电源. 如果考虑采用反极性测量方法，则还必须修改微控制器的固件逻辑（有关详细信息，请参见应用笔记AN4564）.

如果确定使用正电源，则有另一种解决方案来驱动三象限双向可控硅开关ACS或ACST，该解决方案是将电容器（C1）串联连接到栅极电阻（R1），例如如图所示. 晶闸管的栅极吸收电流.

此电路图的工作原理如下:

•当微控制器I / O引脚设置为高电平（VDD）时，电容器C1充电，双向晶闸管栅极电流通过电阻R1吸收. 由于三象限三端双向可控硅开关元件无法在第四象限中触发，因此如果A2和A1的两个端子之间存在负电压，三端双向可控硅开关将不会打开（但是，如果电压为正，则可以将其打开on，即第一象限触发条件.

•当C1电容器充满电时（连接到微控制器电源，这里为5 V），栅极电流消失.

•当微控制器I / O引脚设置为低电平（VSS）时，电容器C1放电，并通过电阻R1向双向可控硅栅极输出负电流. 双向可控硅在第二或第三象限中触发，具体取决于晶闸管端子是正还是负. 直到电容器C1放电，负电流才会消失.

图3b是图3a的派生图，用于控制ACS开关的特殊情况（如本例中的ACS108）. 由于ACS开关在COM和G端子之间具有P-N结，因此禁止从G到COM汲取任何电流，并且当微控制器I / O引脚设置为高电平时，二极管D1用于为电容器C1充电.

图3: 由正电源供电的三象限双向晶闸管或ACS驱动电路

在这两个原理图中，只要向微控制器的I / O引脚施加一个短电压脉冲，驱动电路就会施加不同的栅极电流. 这种控制方法的优势在于，如果微控制器由于复位或闭锁而终止，则电容器会阻塞直流电流并提高应用的安全水平.

结论

为了符合有关待机功耗的各种能效标准的要求，电源解决方案通常使用开关电源，而正输出电源则更常用. 但是，负电源电压与各种AC开关兼容，因此在某些情况下它们将是首选. 负输出.

正电压输出的优点是可以减少待机功耗. 本文介绍了两种解决方案，一种是修改驱动电路，使正稳压器与负电源配合使用，以达到互补的优势. 另一种解决方案是在门电路上增加一个电容器. 即使选择了正电源，它仍然可以从三端双向可控硅开关栅极汲取电流.

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