正负电源基础知识以及如何符合双向可控硅触发要求

  开关管打交道的人来说，“负电源”听起来怪怪的，毕竟集成电路从来不使用负电压。

  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。

  如果功率半导体控制电路需要用电源，且驱动参考端子连至市电(相线或零线端子)，则需要用非隔离电源。

  双向可控硅、ACST、ACS或SCR(可控硅整流管)等交流开关的触发电路就属于这种情况。这些开关器件都是由栅电流控制。栅电流必须加在栅极引脚上，流经栅极和参考端子，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。

  因为交流开关控制电路及其电源必须以参考端子为参考点(回连到相线电压)，所以要非隔离型电源。

   方案2:将控制电路电源电压端子(VDD)连到驱动参考端子。

  方案1是最常见的解决方案，开关的驱动参考端子是零电压点(VSS)，如图1a所示。电源电压(VDD)高于市电端子的电位(相线或零线)，市电端子与驱动参考端子(VSS)相连，所以这种拓扑也叫正电源驱动电路。如果电源电压是5V，则VDD是在市电参考电压(例如，图1a中的零线V。

  这个拓扑只适用于标准双向可控硅或SCR，不能与非标准的双向可控硅、ACS和ACS使用，原因解释见下文。不过只要做一些简单的修改，即可用正电源控制所有这些开关，本文最后进行说明。

  方案2是负电源，如图1b所示。电源参考端子电压(VSS)低于与市电参考端子相连的A1或COM端子的电压。如果电源电压是5V，则VSS是在市电参考电压之下5V，即以相线V。

  这个拓扑可用于所有的双向可控硅、ACS和ACST，但是不能用于可控硅整流管，原因解释见下文。

  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)。

   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)。

  使用正电流驱动SCR很容易。如果SCR的阴极连接VSS端子，如图1a所示，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，如图1b所示。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，我们大家可以把双向可控硅、ACS和ACST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

  双向控硅、ACS和ACST可以在每个象限或只在部分象限被激活，详细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。

  下表列出了不同开关的触发象限和不同开关与图1直接驱动电路的电源极性的兼容性。不难看出，负电源兼容除SCR外所有交流开关技术。负电源驱动电路更换元器件更灵活，不受技术限制，因此，负输出是首选。

  如果使用正电源控制微控制器触发三象限双向可控硅、ACST或ACS，就会出现一些明显的异常问题。如表1所示，在这种情况下不能够实现直接控制。

  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根据降压转换器的选择，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，所以能考虑负电源。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 A，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，而且特别难找到功耗很低的3.3 V负电压稳压器。

  基于这些原因，图2的电路示意图整合了负电源和正稳压器的双重优点。在这个示意图中，ST715M33R是最大静态电流5.5 A的正稳压器，与“负”15V输出相连，为微控制器提供3.3V电源电压，其中，-15V电压是基于VIPer06的降压升压转换器或反激式转换器的输出(参见意法半导体的AN4564应用笔记)。T1635T-8是一个T系列三象限双向可控硅，微控制器能够吸收T1635T-8的电流。

  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、ACS或ACST还有一个解决方案，就是给栅极电阻(R1)串联一个电容(C1)，如图3a所示，以便从双向可控硅的栅极吸收电流。

   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A2和A1两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)。

   当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，详细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。

  图3b是图3a示意图的衍生图，用于控制ACS开关的特殊情况(像本例中的ACS108一样)。因为ACS开关在COM和G端子之间有一个P-N结，禁止任何拉电流从G流向COM，二极管D1是微控制器I/O引脚置高电平时用于给电容C1充电。

  在这两个示意图中，只要微控制器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电流。这种操控方法的优点是，万一微控制器因为重置或闩锁而终止工作，电容就可以阻止直流电流，提高应用的安全水平。

  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，正输出电源很常用，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能够更好的降低待机功耗。本文介绍两个解决方案，一个是经过仔细修改驱动电路，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，仍旧能从双向可控硅栅极吸收电流。