摘要

　　電源電壓在某些情況下被視為正電壓或者負(fù)電壓。對于不經(jīng)常跟雙向可控硅開關(guān)管打交道的人來說，“負(fù)電源”聽起來怪怪的,，畢竟集成電路從來不使用負(fù)電壓,。

　　在有些情況下，雙向可控硅驅(qū)動電路優(yōu)先選用負(fù)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(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(diǎn)(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(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)動參考端子(VSS)相連,，所以這種拓?fù)湟步姓娫打?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?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(jìn)行說明。

　　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?xùn)烹娏?參見意法半導(dǎo)體的AN3168應(yīng)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(fù)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(fù)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(dāng)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(fù)電源，如圖1b所示,。當(dāng)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(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)條件分為四個象限。當(dāng)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(diǎn)，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(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(dǎo)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(dǎo)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(fù)電源兼容除SCR外所有交流開關(guān)技術(shù),。負(fù)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(fù)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(fù)電源的兼容性

　　電源拓?fù)鋵敵鰳O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(biāo)準(zhǔn)對待機(jī)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?fù)洹?/p>

　　在很多情況下只需要控制交流開關(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)涞膶崿F(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,，在無負(fù)載或負(fù)載較小時,，導(dǎo)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(dǎo)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?fù)涞哪苄Щ鞠嗤?/p>

　　不過，即便開關(guān)電源有負(fù)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(jī)功耗。正電壓線性穩(wěn)壓器的內(nèi)部功耗低于50 ?A,，而負(fù)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(jī)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(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),。在這個示意圖中，ST715M33R是最大靜態(tài)電流5.5 ?A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 (參見意法半導(dǎo)體的AN4564應(yīng)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(fù)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?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,，通常給交流開關(guān)串聯(lián)一個分流器,，檢測負(fù)載電流,，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速或扭矩閉環(huán)控制,。在電表應(yīng)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(shè)計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,。如果考慮反極性測量方法,，微控制器固件邏輯也得修改(詳見應(yīng)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(dāng)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(fù)電壓,，雙向可控硅開關(guān)不會導(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(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，電容C1放電,，通過電阻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(diǎn)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(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關(guān)式電源,，正輸出電源比較常用，不過,，負(fù)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(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(fù)電源,，實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ),。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,。