正负电源基础知识以及如何符合双向可控硅触发要求

作者: Laurent GONTHIER, Jan DRESER

摘要

电源电压在某些情况下被视为正电压或者负电压。对于不经常跟双向可控硅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。

正电源和负电源

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

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)，所以需要非隔离型电源。

将开关的驱动参考端子连到非隔离型电源有两种方案：
•    方案 1: 将控制电路接地端子(VSS)连到驱动参考端子。
•    方案 2: 将控制电路电源电压端子(VDD)连到驱动参考端子。


图1：电源极性定义

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中的零线端子)之上5V。

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，即以相线电压为参考点-5V。

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。

电源输出极性与交流开关技术的兼容性

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)。

这样会发生几种情况。
•    如果是SCR，栅电流必须是正电流(从G流向K)。
•    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)。
•    如果是ACS，栅电流必须是负电流(从COM流向G)。

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
•    象限1: 正栅电流和正栅电压
•    象限2: 负栅电流和正栅电压
•    象限3: 负栅电流和负栅电压
•    象限4: 正栅电流和负栅电压

双向控硅、ACS和ACST可以在每个象限或只在部分象限被激活，具体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。

器件与技术	触发象限				直接控制
	Q1	Q2	Q3	Q4	正电源	负电源
SCR	ü	否	否	否	是	否
标准双向可控硅	ü	ü	ü	ü	是	是
无缓冲电路的逻辑电平双向可控硅	ü	ü	ü	否	否	是
高温双向可控硅	ü	ü	ü	否	否	是
无缓冲电路的T系列双向可控硅	ü	ü	ü	否	否	是
ACS	否	ü	ü	否	否	是
ACST	ü	ü	ü	否	否	是

电源拓扑对输出极性的影响

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，就会出现问题。如表1所示，在这种情况下不能实现直接控制。

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拓扑。

在很多情况下只需要控制交流开关，所以可以考虑负电源。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 µA，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，而且很难找到功耗很低的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 µA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。


图2：在双向可控硅控制电路中负电源配合正稳压器

通过修改栅极电路，可以使用正电源驱动三象限双向可控硅

除了选择电源拓扑外，需要使用正电源还有其它原因。

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。

这个电路示意图的工作原理如下：
•    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，具体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。


图3：正电源供电的三象限双向可控硅或ACS驱动电路

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。这种控制方法的优点在于，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。

结论

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，正输出电源比较常用，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可以降低待机功耗。本文介绍两个解决方案，一个是通过修改驱动电路，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，仍然可以从双向可控硅栅极吸收电流。