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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:时间:2016-11-04来源:电子产品世界

  摘要

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201611/339716.htm

  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,双向驱动电路优先选用负电压。本文介绍几个简单的双向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。

  表1.开关的触发象限和开关与直接驱动的兼容性

  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。



关键词: 正负电源 可控硅

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