摘要
電源電壓在某些情況下被視為正電壓或者負電壓,。對于不經(jīng)常跟雙向可控硅開關管打交道的人來說,，“負電源”聽起來怪怪的，畢竟集成電路從來不使用負電壓。
在有些情況下,，雙向可控硅驅(qū)動電路優(yōu)先選用負電壓。本文介紹幾個簡單的雙向可控硅正電源驅(qū)動解決方案,。
正電源和負電源
如果功率半導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)等交流開關的觸發(fā)電路就屬于這種情況,。這些開關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開關的COM端子。
因為交流開關控制電路及其電源必須以參考端子為參考點(回連到相線電壓),，所以需要非隔離型電源,。
將開關的驅(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,，開關的驅(qū)動參考端子是零電壓點(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，所以這種拓撲也叫正電源驅(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。
這個拓撲只適用于標準雙向可控硅或SCR,，不能與非標準的雙向可控硅,、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，本文最后進行說明,。
方案2是負電源,，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-5V,。
這個拓撲可用于所有的雙向可控硅,、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技術的兼容性
閉合一個交流開關，像其它雙極器件一樣,，必須在開關的柵極(G)與驅(qū)動參考端子之間施加柵電流(參見意法半導體的AN3168應用筆記),。
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,，柵電流正負極性均可(與開關上施加的電壓有關),。
如果是ACS，柵電流必須是負電流(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開關需要負電源,，如圖1b所示。當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導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,，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: 負柵電流和正柵電壓
象限3: 負柵電流和負柵電壓
象限4: 正柵電流和負柵電壓
雙向控硅、ACS和ACST可以在每個象限或只在部分象限被激活,，具體情況視開關所采用的半導體技術,。
因為SCR開關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的觸發(fā)象限和不同開關與圖1直接驅(qū)動電路的電源極性的兼容性。不難看出,，負電源兼容除SCR外所有交流開關技術,。負電源驅(qū)動電路更換元器件更靈活，不受技術限制,，因此,，負輸出是首選。
表1.開關的觸發(fā)象限和開關與直接驅(qū)動正負電源的兼容性
電源拓撲對輸出極性的影響
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，為符合能效標準對待機功耗的要求,，常常使用開關式電源(SMPS),。正輸出開關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)換器最常用拓撲,。
在很多情況下只需要控制交流開關,，所以可以考慮負電源。降壓升壓轉(zhuǎn)換器支持負電壓輸出,，而且拓撲的實現(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)省了輸出負載電阻或輸出齊納二極管,。在每支MOSFET導通期間，降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電容充電,，在無負載或負載較小時,，導致輸出電流過大,。
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,，兩個拓撲的能效基本相同,。
不過，即便開關電源有負輸出,，最好也是選擇正輸出的開關電源,。正輸出可降低待機功耗。正電壓線性穩(wěn)壓器的內(nèi)部功耗低于50 ?A,，而負電壓穩(wěn)壓器的功耗大約2 mA,，該靜態(tài)電流對開關電源待機功耗影響巨大。
選擇正電壓輸出的另一個原因是,，目前3.3 V微控制器應用廣泛,，而且很難找到功耗很低的3.3 V負電壓穩(wěn)壓器。
基于這些原因,，圖2的電路示意圖整合了負電源和正穩(wěn)壓器的雙重優(yōu)點,。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”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 (參見意法半導體的AN4564應用筆記),。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
除了選擇電源拓撲外,，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,，在通用電機控制器內(nèi)部,，通常給交流開關串聯(lián)一個分流器，檢測負載電流,，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速或扭矩閉環(huán)控制,。在電表應用中，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,，這樣設計在邏輯上似乎更合理。
這些應用電路圖也可以改用負電源,。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電壓,，雙向可控硅開關不會導通（但是，如果該電壓是正電壓,，則可以導通,，即第一象限觸發(fā)條件）。
當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電壓,。直到電容C1放電，負電流才會消失,。
圖3b是圖3a示意圖的衍生圖,，用于控制ACS開關的特殊情況(像本例中的ACS108一樣),。因為ACS開關在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,，提高應用的安全水平。
結(jié)論
為符合各種能效標準有關待機功耗的規(guī)定,，電源解決方案常常使用開關式電源,，正輸出電源比較常用，不過,，負電源電壓兼容各種交流開關,，所以有些情況下還會優(yōu)先選用負輸出。
正電壓輸出的優(yōu)點是可以降低待機功耗,。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)壓器配合負電源,，實現(xiàn)優(yōu)勢互補,。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,。