触发双向晶闸管-有效克服了正负电压设计问题

在交流电源中，电压有时为正，有时为负. 对于不经常使用三端双向可控硅开关元件的设计人员来说双向可控硅做交流开关，“负电压”听起来可能很奇怪，因为世界上没有可以使用负电压的集成电路. 但是，在某些应用中，使用负输出驱动双向可控硅更为合适.

在交流电源中双向可控硅做交流开关，电压有时为正，有时为负. 对于不经常使用三端双向可控硅开关元件的设计人员来说，“负电压”听起来可能很奇怪，因为世界上没有可以使用负电压的集成电路. 但是，如本文所述，从正输出驱动三端双向可控硅开关只需要一种简单的解决方案，但有时使用负输出驱动三端双向可控硅开关更为合适.

正负电源原理

如果功率半导体组件只能由电源控制，则通常需要在驱动参考点连接到电源（电源或中性端子）时使用非绝缘电源. 例如，触发交流开关，例如双向晶闸管，ACST，ACS或可控硅（SCR）. 这些分量由栅极电流控制. 栅极电流只能施加到栅极引脚，并在栅极和AC开关参考端子之间循环，其中参考端子是指晶闸管的阴极（K），双向晶闸管A1或ACST和ACS COM. 由于交流开关控制电路及其电源只能连接到组件参考端子（电压），因此必须使用非绝缘电源.

有两种方法可以将驱动器参考点连接到非绝缘电源:

选项1: 将控制电路接地（VSS）连接到驱动器参考点.

选项2: 将控制电路电源电压（VDD）连接到驱动器参考点.

由于开关驱动参考点也是零电压点（VSS），因此图1a中所示的方案1是最常用的. 由于电源电压（VDD）实际上高于电源端子电势（电源线或中性线），并且电源端子电势连接到驱动参考点（VSS），因此这种拓扑称为正电压. 如果电源为5V，则VDD比市电参考点（图1a中的中性端子）高5V. 如下所述，该拓扑只能直接用于标准三端双向可控硅开关元件和晶闸管，而不能与非标准三端双向可控硅开关元件，ACS和ACST一起使用. 但是根据本文的最后，用户可以进行一些简单的修改以控制所有正电压分量.

图1电源极性的定义.

＆lt; p＆gt;图2所示的方案2是与图2相同的方案. 1b被称为负电压. 实际上，电源电压参考点（VSS）低于连接到电源参考点的A1或COM. 如果电源为5V，则VSS比线路参考点低5V，或者比线路低–5V. 如下所述，此拓扑可用于所有三端双向可控硅开关元件，ACS和ACST，但不可用于晶闸管.

电源输出极性和交流开关技术的一致性

要打开双极型设备等交流开关，必须在开关栅极引脚（G）和驱动参考端子之间施加栅极电流. 然后会有几种情况.

. 对于晶闸管，该栅极电流必须为正（从G到K）.

. 对于三端双向可控硅开关元件和ACST，栅极电流可以为正或负（取决于施加到组件的电压）.

. 对于ACS，栅极电流必须为负（从COM到G）.

很容易用正电压驱动可控硅整流器. 如果将阴极连接到VSS，如图1a所示，则当控制电路（通常是微控制器）的输出引脚处于较高电平时，电流来自晶闸管的栅极. 另一方面，直接驱动ACS需要负电源，如图1b所示. 因此，当控制电路的输出引脚处于低电平时，电流应来自晶闸管的栅极.

对于三端双向可控硅开关，ACS和ACST，可以在开启之前根据组件的栅极电流极性和电压极性定义四个触发象限. 当栅极电流来自栅极时，可以将其视为正电流. 当电压与驱动参考点有关时，该电压可以视为正电压. 不同的象限是:

. 第一个象限: 正栅极电流和正电压.

. 第二象限: 负栅极电流和正电压.

. 第三个象限: 负栅极电流和负电压.

. 第四象限: 正栅极电流和负电压.

根据双向可控硅，ACS和ACST组件技术，可以在每个象限中或仅在某些象限中触发这些组件. 对于可控硅整流器，由于只有正的栅极电流可以打开组件，并且只有在将正电压施加到阳极和阴极端子时，这些组件通常才不考虑触发象限.

表1显示了适用于不同组件技术的不同象限，并列出了构成直接驱动电路的电源极性的一致性，如表1所示. 可以看出，负电源适用于所有交流开关技术，可控硅除外. 由于负输出允许任何其他技术来更改部件号，因此使用负输出成为首选.

电源拓扑容易影响输出极性

如果微控制器（MCU）提供正电压并使用微处理器来触发第三象限双向可控硅，ACST或ACS，则会出现问题. 如表1所示，在这种情况下，直接控制确实是不可能的. 另外，开关电源（SMPS）通常用于适应不同的备用电源命令或标准. 由于具有正输出的开关电源是低输出电流离线转换器最常用的拓扑，因此开关电源的选择主要基于降压转换器的选择.

但是在许多应用中，仅需控制交流开关，因此应施加负电压. 降压-升压转换器允许负输出. 这种拓扑与降压转换器一样容易实现. 此外，对于降压-升压转换器，由于需要使用降压拓扑，因此无需增加输出负载电阻或输出稳压器. 实际上，为了降压，每当MOSFET导通时，输出电容器都会充电，从而导致输出在空载或轻载条件下都过高.

降压-升压转换器的效率和最大输出电流应低于降压转换器，并且输出电容器应大于降压转换器. 实际上，对于降压转换器，所有电感器电流都对输出电容器充电，而对于降压-升压转换器，电感器电流仅在续流期间为输出电容器充电. 但是，230V AC / 12V DC转换器的占空比较低，buck和buck-boost性能之间的差异并不大.

如果两个拓扑都配备有相同的电抗组件，则它们的效率是相似的.

尽管可以使用负输出的开关电源，但我们仍然将正输出作为首选. 在待机模式下，正输出的功耗较低. 实际上，我们发现正型线性稳压器的内部功耗在50μA范围内，而负型稳压器的一般功耗约为2mA.

此静态电流极大地影响了开关电源的待机功耗. 获得正输出的另一个原因是3.3V微控制器的广泛使用，但是很难找到一种低功耗的精确3.3V负稳压器.

因此，应该使用图2的原理图来组合负电源的优点和正稳压器的优点. 在此中，ST的ST715M33R正稳压器的最大静态电流为5.5μA，用于显示由“负” 15V输出提供的3.3V电源的实现. 降压-升压转换器或反激转换器（反激转换器）. 这样，微控制器可以降低来自T1635T-8双向晶闸管T系列第三象限组件的电流.

图2双向晶闸管控制电路的负电压正稳压器

调整栅极电路的正电压成为新选择

除了选择电源拓扑之外，还有使用正电源的其他原因. 例如，将传感器应用到主电源上. 这允许监视某些电参数. 例如，对于通用电机设备，我们通常会在AC开关上串联一个并联电阻器来检测负载电流，从而实现对速度或转矩（转矩）的无穷循环控制. 在电能计量应用中，必须测量电源电压，以计算电网中的能量损耗.

由于在并联电流或线路电压增加时增加电压似乎更为合理，因此我们将以传统方式将正电压施加至电路. 该方法也适用于负电压. 因此，我们调整了微控制器的固件逻辑以考虑这种反向测量措施.

如果明确选择了正电压，我们仍然有计划来驱动第三象限三端双向可控硅开关（ACS）或ACST. 如图3a所示，一种解决方案是简单地与栅极电阻（R1）并联添加一个电容器（C1），以减少来自双向可控硅栅极的电流.

图3使用正电压的第三象限双向可控硅或ACS驱动电路.

原理图如下:

. 当微控制器的I / O引脚处于高电平（VDD）时，电容器C1通过R1和双向可控硅闸极充电. 由于第三象限中的三端双向可控硅开关元件无法在第四象限中触发，因此当端子A2和A1上的电压为负时，三端双向可控硅开关元件不会打开（但是如果第一象限中的电压为正，则双向晶闸管可以）.

. 当C1电容器充满电时（以5V的电压为微控制器供电），栅极电流消失.

. 当微控制器的I / O引脚为低电平（VSS）时，C1通过R1放电，为双向可控硅闸极提供负电流. 如果第二象限或第三象限的端电压为正或负，则可以分别触发两个象限的双向晶闸管. 在电容器C1放电之前，电流始终为负.

图3b显示了图3a示意性控制ACS设备（在此示例中为ACS108）的特殊情况的变体. 由于这些设备在COM和G端子之间显示了一个单独的PN结，并且可以阻止从G到COM的所有电流，因此当微控制器I / O引脚为高电平时，会添加一个D1二极管为C1电容器充电.

对于这两个原理图，当将突发电压脉冲施加到微控制器I / O引脚时，必须施加栅极AC电流. 这种控制方法的优点是，电容器将通过复位或闭合来阻止微控制器侵入时产生的直流电流，从而提高了应用程序的安全性.

满足减少待机功耗需求的各种电源解决方案

为了满足待机功耗的不同标准，开关电源的应用变得越来越频繁. 通常人们使用具有正输出的电源，但是当负电压满足各种交流开关的条件时，负电压可能更合适. 如果稳压器可以降低待机功耗，则首选正输出. 一种解决方案是调整电路，以确保可以在负电压下使用正稳压器. 另一种解决方案是在栅极电路中简单地添加一个电容器，以确保即使选择了正电源，也可以减少双向可控硅栅极产生的电流.

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