《電子技術(shù)應(yīng)用》
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(ST)如何利用一個(gè)光電雙向晶閘管實(shí)現(xiàn)ACS交流開關(guān)觸發(fā)電路

TP 996 設(shè)計(jì)問題解決方案
2011-02-15
作者:ST

前言
  今天市場(chǎng)上銷售的固態(tài)開關(guān)采用多種不同的技術(shù)和設(shè)計(jì),。標(biāo)準(zhǔn)雙向晶閘管和無緩沖器的雙向晶閘管以及90年代初推出的ACS系列產(chǎn)品是大家最熟悉的固態(tài)開關(guān)產(chǎn)品,,這些開關(guān)的導(dǎo)通都是由柵電流觸發(fā)的,,但是,,根據(jù)所采用的技術(shù)或設(shè)計(jì),該電流可以是從柵極灌入的電流或者源出到柵極的電流,。因此,觸發(fā)電路必須考慮AC開關(guān)類型,然后正確地觸發(fā)AC開關(guān),。對(duì)于ACS開關(guān),因?yàn)椴捎霉杞Y(jié)構(gòu),,所以柵電流只能是從柵極灌入,。
 
  在某些情況下,控制電路還必須與交流電源電壓隔離,,例如,,當(dāng)微控制器參考電壓與AC開關(guān)參考電壓不同時(shí),控制電路必須與交流電源電壓隔離,。當(dāng)一個(gè)新電器采用一個(gè)變頻器控制3相電機(jī)時(shí),,如果微控制器連接在直流電壓軌上,而且ACS開關(guān)以線路電壓為參考電壓,,控制電路就必須與交流電源電壓隔離,。如果設(shè)計(jì)人員想要從線路上隔離全部低壓電路,控制電路也必須與交流電源電壓隔離,。這種解決方案通常情況下成本昂貴,,因?yàn)槭褂靡粋€(gè)絕緣性能良好的用戶界面、使所有電子電路都以線路為參考電壓的解決方案更簡(jiǎn)單,,控制面板上只有幾個(gè)按鈕的電器設(shè)計(jì)就屬于這種情況,。
 
  標(biāo)準(zhǔn)的雙向晶閘管觸發(fā)電路電壓隔離解決方案是在雙向晶閘管的A2和G端子上串聯(lián)一個(gè)光電雙向晶閘管。當(dāng)然,,還需串聯(lián)一個(gè)電阻,,以降低光電晶閘管上的柵電流。這種驅(qū)動(dòng)解決方案適合所的雙向晶閘管,。因此,,當(dāng)雙向晶閘管上的電壓在導(dǎo)通前是正電壓時(shí),正柵極電流觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通,,相反,,當(dāng)晶閘管導(dǎo)通前是負(fù)電壓時(shí),負(fù)柵極電流觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通,。因此,,雙向晶閘管在Q1和Q3象限內(nèi)導(dǎo)通。
 
  如前文所述,,ACS開關(guān)只能由負(fù)電流觸發(fā),。如果使用光電晶閘管驅(qū)動(dòng)ACS開關(guān),ACS只能在負(fù)偏壓時(shí)導(dǎo)通(因?yàn)樵谪?fù)偏壓時(shí)柵電流是負(fù)電流),這將導(dǎo)致ACS開關(guān)只能半周期導(dǎo)通,。
 
  這種開關(guān)模式不適用于大多數(shù)應(yīng)用,,但是,有些新應(yīng)用只需要半周期導(dǎo)通模式,。例如,,內(nèi)置一個(gè)二極管的咖啡機(jī)電泵和洗衣機(jī)艙門鎖電磁鐵,這些應(yīng)用都只需一個(gè)半周期導(dǎo)通操作,。
 
  如果線路電壓施加到柵極和COM端子上,,ACS開關(guān)內(nèi)部P-N結(jié)可能會(huì)被燒毀,因?yàn)樵撻_關(guān)的耐擊穿電壓大約10V,。當(dāng)開關(guān)處理瞬變電壓或光電晶閘管短路時(shí),,就會(huì)發(fā)生這種情況。解決辦法是在COM-G結(jié)上并聯(lián)一個(gè)低壓或高壓二極管,,或者給光電晶雙向閘管串聯(lián)一個(gè)低壓或高壓二極管(圖1),。注意,在第二種情況(光電雙向晶閘管串聯(lián)一個(gè)二極管)中,,可以用一個(gè)陽(yáng)極連接ACS柵極的反向隔離光電單向晶閘管替代光電雙向晶閘管,。

圖1 – 采用光電雙向晶閘管的半周期ACS開關(guān)控制解決方案

  對(duì)于家電,大多數(shù)負(fù)載采用全周期控制模式,。為確保ACS開關(guān)每個(gè)周期都能導(dǎo)通,,我們必須修改前面的電路示意圖。解決辦法是增加一個(gè)低壓電容,,用于在開始正電流導(dǎo)通時(shí)施加一個(gè)柵極電流,。如圖2所示,該解決方案還使用兩個(gè)低壓二極管,,工作原理如圖3所示,。
  -1: 光電雙向晶閘管導(dǎo)通,電容C充電,,直到VGT 為止(~ 0.7 V),。然后,,ACS在第3象限導(dǎo)通,,IGT 電流小于第2象限的柵導(dǎo)通電流。
  -2: ACS保持通態(tài),,直到下一個(gè)零電流交叉點(diǎn)為止,。G-COM電壓降至-0.7 V,電容C充電,。
  -3: ACS開關(guān)電流增強(qiáng),,VG-COM 電壓升高,電容C通過G極和COM極放電,并在柵極上施加最大10 mA的峰流,,使ACS開關(guān)導(dǎo)通,。
 
  若想施加更大的柵電流,須選用330 µF左右的電容,。
 
  應(yīng)該注意的是,,ACS開關(guān)每個(gè)周期都將會(huì)關(guān)斷,電容C利用這段時(shí)間充電,。當(dāng)端子上的電壓超過大約10V時(shí),,ACS開關(guān)將會(huì)導(dǎo)通。因?yàn)榫€路電流沒有切斷,,所以這種特性不會(huì)導(dǎo)致EMI干擾過大,。因?yàn)殡娙軨的原因,線路電流的波形仍然近似正弦波,。
 
  這三個(gè)電路圖還能修改,,在電阻R和光電雙向晶閘管之間增加一個(gè)阻容緩沖電路,可以提高最終開關(guān)的抗干擾性,,擴(kuò)大柵脈寬,,更好地觸發(fā)交流開關(guān)。
 
圖 2 – 采用光電雙向晶閘管的全周期ACS開關(guān)控制解決方案

圖3 – 圖2電路的工作曲線圖
 

 
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