觸發(fā)雙向可控硅——有效克服正負(fù)電壓設(shè)計(jì)難題
發(fā)布時(shí)間:2017-01-04 責(zé)任編輯:sherry
【導(dǎo)讀】對于不經(jīng)常使用雙向可控硅的設(shè)計(jì)人員來說,「負(fù)電壓」可能聽起來很奇怪,因?yàn)槭澜缟喜豢赡艽嬖诓捎秘?fù)電壓工作的集成電路。然而,正如本文所述,從正輸出驅(qū)動(dòng)雙向可控硅僅需簡單的解決方案即可,但在某些時(shí)候,采用負(fù)輸出驅(qū)動(dòng)雙向可控硅更為合適。
在交流電源里,電壓有時(shí)為正有時(shí)為負(fù)。對于不經(jīng)常使用雙向可控硅的設(shè)計(jì)人員來說,「負(fù)電壓」可能聽起來很奇怪,因?yàn)槭澜缟喜豢赡艽嬖诓捎秘?fù)電壓工作的集成電路。然而,在某些應(yīng)用,采用負(fù)輸出驅(qū)動(dòng)雙向可控硅更為合適。
在交流電源里,電壓有時(shí)為正有時(shí)為負(fù)。對于不經(jīng)常使用雙向可控硅的設(shè)計(jì)人員來說,「負(fù)電壓」可能聽起來很奇怪,因?yàn)槭澜缟喜豢赡艽嬖诓捎秘?fù)電壓工作的集成電路。然而,正如本文所述,從正輸出驅(qū)動(dòng)雙向可控硅僅需簡單的解決方案即可,但在某些時(shí)候,采用負(fù)輸出驅(qū)動(dòng)雙向可控硅更為合適。
正負(fù)電源供應(yīng)原理
如果功率半導(dǎo)體組件只能通過電源進(jìn)行控制,其驅(qū)動(dòng)參考點(diǎn)與市電(線路或中性端子)連接時(shí),通常須要使用非絕緣電源。例如,觸發(fā)雙向可控硅、ACST、ACS或可控硅整流器(SCR)等交流開關(guān)的情況。這些組件均由柵極電流進(jìn)行控制。該柵極電流只能施加在柵極針腳上,并在柵極和交流開關(guān)參考端子之間循環(huán)流動(dòng),其中參考端子指可控硅整流器的陰極(K)、雙向可控硅的A1或ACST和ACS的COM。由于交流開關(guān)控制電路和其電源只能連接到組件參考端子(回聯(lián)機(jī)電壓),因此須使用非絕緣電源。
有兩種方式將該驅(qū)動(dòng)參考點(diǎn)與非絕緣電源連接:
方案1:將控制電路接地(VSS)與驅(qū)動(dòng)參考點(diǎn)連接。
方案2:將控制電路電源電壓(VDD)與驅(qū)動(dòng)參考點(diǎn)連接。
由于開關(guān)驅(qū)動(dòng)參考點(diǎn)也是零電壓點(diǎn)(VSS),因此圖1a所示的方案1最常用。由于電源電壓(VDD)實(shí)際高于市電端子電勢(線路或中性),且電源端子電勢與驅(qū)動(dòng)參考點(diǎn)(VSS)連接,因此,此種拓?fù)浞Q為正電壓。如果電源為5V,則VDD比市電參考點(diǎn)(圖1a示例中的中性端子)高5V。如下文所述,該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)僅可直接與標(biāo)準(zhǔn)雙向可控硅和可控硅整流器一起使用,而不能與非標(biāo)準(zhǔn)雙向可控硅、ACS和ACST一起使用。但根據(jù)本文結(jié)尾所述,使用者可進(jìn)行某些簡單修改來控制所有正電壓的組件。
圖1 電源極性定義。
圖1b所示的方案2稱為負(fù)電壓。電源電壓參考點(diǎn)(VSS)實(shí)際低于與市電參考點(diǎn)連接的A1或COM。如果電源為5V,則VSS比線路參考點(diǎn)低5V,或與線路相比為–5V。根據(jù)下文所述,該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可與所有雙向可控硅、ACS和ACST一起使用,但不能與可控硅整流器一起使用。
電源輸出極性與交流開關(guān)技術(shù)的一致性
為開啟雙極器件等交流開關(guān),必須在開關(guān)柵極針腳(G)和驅(qū)動(dòng)參考端子之間施加?xùn)艠O電流。然后會(huì)出現(xiàn)幾種情況。
.對于可控硅整流器,該柵極電流必須為正(從G向K流動(dòng))。
.對于雙向可控硅和ACST,該柵極電流可為正也可為負(fù)(取決于施加給組件的電壓)。
.對于ACS,該柵極電流必須為負(fù)(從COM向G流動(dòng))。
采用正電壓很容易驅(qū)動(dòng)可控硅整流器。如果陰極與VSS相連,如圖1a所示,當(dāng)控制電路(通常是一個(gè)微控制器)輸出針腳處于較高電平時(shí),電流來源于可控硅整流器的柵極。另一方面,直接驅(qū)動(dòng)ACS需要負(fù)電源,如圖1b所示。因此,當(dāng)控制電路輸出針腳處于較低電平時(shí),電流應(yīng)來自可控硅整流器的柵極。
對于雙向可控硅、ACS和ACST,可根據(jù)開啟前組件的柵極電流極性和電壓極性定義四個(gè)觸發(fā)象限。當(dāng)柵極電流來源于柵極時(shí),其可視為正電流。當(dāng)電壓與驅(qū)動(dòng)參考點(diǎn)有關(guān)時(shí),電壓可視為正電壓。不同的象限分別為
.象限一:正柵極電流和正電壓。
.象限二:負(fù)柵極電流和正電壓。
.象限三:負(fù)柵極電流和負(fù)電壓。
.象限四:正柵極電流和負(fù)電壓。
根據(jù)雙向可控硅、ACS和ACST組件技術(shù),這些組件可在每個(gè)象限中觸發(fā)或僅可在某些象限中觸發(fā)。對于可控硅整流器,由于僅正柵極電流才可開啟組件,且僅在其陽極和陰極端子上施加正電壓時(shí)才可開啟,這些組件通常不考慮觸發(fā)象限。
表1顯示了不同組件技術(shù)適用的不同象限,并且列出了構(gòu)成直接驅(qū)動(dòng)電路的電源極性一致性,如表1所示??煽闯鲐?fù)電源適用于所有交流開關(guān)技術(shù),但可控硅整流器除外。由于負(fù)輸出允許使用任何其他技術(shù)更改某一零件號(hào),因此采用負(fù)輸出成為首選。
電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易對輸出極性產(chǎn)生影響
如果微控制器(MCU)供應(yīng)正電壓并采用微處理器觸發(fā)第三象限的雙向可控硅、ACST或ACS,就會(huì)出現(xiàn)問題。如表1所示,在這種情況下確實(shí)不能進(jìn)行直接控制。此外,開關(guān)電源(SMPS)經(jīng)常用于適應(yīng)不同的待機(jī)功耗指令或標(biāo)準(zhǔn)。由于具有正輸出的開關(guān)電源是低輸出電流脫機(jī)轉(zhuǎn)換器最常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),因此主要根據(jù)降壓轉(zhuǎn)換器的選型來進(jìn)行開關(guān)電源的選型。
但在許多應(yīng)用中僅須控制交流開關(guān),因此應(yīng)施加負(fù)電壓。而降壓-升壓轉(zhuǎn)換器允許負(fù)輸出。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與降壓轉(zhuǎn)換器同樣易于實(shí)現(xiàn)。此外,對于降壓-升壓轉(zhuǎn)換器,由于其要求使用降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),因此不需要增加輸出負(fù)載電阻或輸出穩(wěn)壓管。實(shí)際上,對于降壓,輸出電容器在每次MOSFET接通期間都會(huì)充電,從而在無負(fù)載或較小負(fù)載的情況下導(dǎo)致輸出過高。
降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的效率及最大輸出電流應(yīng)低于降壓轉(zhuǎn)換器,而輸出電容器應(yīng)大于降壓轉(zhuǎn)換器。實(shí)際上,對于降壓轉(zhuǎn)換器,所有電感電流都為輸出電容器充電,而對于降壓-升壓轉(zhuǎn)換器,電感電流則僅在續(xù)流期間為輸出電容器充電。但230V的交流/12V直流轉(zhuǎn)換器占空比較低,且降壓和降壓-升壓性能之間的差異不大。
如果兩個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)配有相同的電抗組件,那么它們的效率類似。
雖然帶有負(fù)輸出的開關(guān)電源可供使用,但我們?nèi)詫⒄敵鲎鳛槭走x。在待機(jī)模式下,正輸出的功率消耗更低。實(shí)際上,我們發(fā)現(xiàn)正線性穩(wěn)壓器的內(nèi)部功耗在50μA范圍內(nèi),而負(fù)穩(wěn)壓器的一般功耗約為2mA。
這種靜態(tài)電流極大影響了開關(guān)電源的待機(jī)功耗。采用正輸出的另一原因在于3.3V微控制器的廣泛推廣,但卻很難找到功耗較低的精確3.3V負(fù)穩(wěn)壓器。
因此,應(yīng)采用圖2的示意圖,將負(fù)電源的優(yōu)勢和正穩(wěn)壓器的優(yōu)勢結(jié)合起來。在該示意圖中,意法半導(dǎo)體旗下ST715M33R正穩(wěn)壓器的最大靜態(tài)電流為5.5μA,用于顯示「負(fù)」15V輸出提供的3.3V電源實(shí)現(xiàn)情況,而該「負(fù)」15V輸出可以來自使用VIPer06電路的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器或反馳式電源轉(zhuǎn)換器(Flyback Converter)。這樣,微控制器便可減弱來自T1635T-8雙向可控硅、T系列第三象限組件的電流。
圖2 用于雙向可控硅控制電路負(fù)電壓的正穩(wěn)壓器。
調(diào)整柵極電路 正電壓成為新選擇
除了選擇電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)外,還有其他原因須要使用正電源。例如,傳感器與市電電源連接的應(yīng)用情況。這樣可對某些特定電氣參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。例如,對于通用馬達(dá)裝置,通常我們會(huì)與交流開關(guān)串聯(lián)增加一個(gè)分流電阻器來感知負(fù)載電流,從而實(shí)現(xiàn)速度或扭矩(Torque)的死循環(huán)控制。在電能計(jì)量應(yīng)用中,為計(jì)算電網(wǎng)中的能量損耗必須測量市電電源電壓。
由于感知分路電流或線路電壓增加情況下的電壓增加似乎更加合理,因此我們會(huì)采用傳統(tǒng)方式對電路施加正電壓。此類方式還適用于負(fù)電壓。因此,我們對微控制器的固件邏輯進(jìn)行調(diào)整,將此逆向測量措施考慮在內(nèi)。
如果明確選擇了正電壓,我們?nèi)杂蟹桨竵眚?qū)動(dòng)第三象限的雙向可控硅、ACS或ACST。如圖3a所示,一種解決方案是與柵極電阻器(R1)簡單并聯(lián)增加一個(gè)電容器(C1),減弱來自雙向可控硅柵極的電流。
圖3 采用正電壓的第三象限雙向可控硅或ACS驅(qū)動(dòng)電路。
該示意圖的工作原理如下:
.當(dāng)微控制器I/O針腳處于高電平(VDD)時(shí),電容器C1通過R1和雙向可控硅柵極充電。由于第三象限的雙向可控硅不能在第四象限觸發(fā),因此在端子A2和A1的電壓為負(fù)時(shí),該雙向可控硅不會(huì)開啟(但如果第一象限的電壓為正,則可以開啟雙向可控硅)。
.當(dāng)C1電容器充滿電后(向電壓為5V的微控制器供電),柵極電流消失。
.當(dāng)微控制器I/O針腳處于低電平(VSS)時(shí),C1通過R1放電,為雙向可控硅柵極提供負(fù)電流。如果第二象限或第三象限的端子電壓為正或負(fù),則可分別觸發(fā)這兩個(gè)象限的雙向可控硅。在電容器C1放電前,電流一直為負(fù)。
圖3b給出了圖3a示意圖控制ACS器件(如本示例中的ACS108)特殊情況的變型。由于此類器件展示了COM和G端子之間的單獨(dú)P-N節(jié)并能夠阻止所有從G流向COM的電流,因此增加D1二極管,用于在微控制器I/O針腳處于高電平時(shí)對C1電容器充電。
對于這兩種示意圖,在微控制器I/O針腳施加爆發(fā)電壓脈沖時(shí),須施加?xùn)艠O交流電流。這種控制方法的優(yōu)勢在于,電容器會(huì)阻礙重置或封閉造成微控制器侵害時(shí)產(chǎn)生的直流電流,并提高應(yīng)用的安全等級(jí)。
多種電源解決方案滿足降低待機(jī)功耗需求
為滿足待機(jī)功耗的不同標(biāo)準(zhǔn),開關(guān)電源的應(yīng)用越來越頻繁。通常人們使用帶有正輸出的電源,但當(dāng)負(fù)電壓滿足各種交流開關(guān)的條件時(shí),負(fù)電壓可能更為合適。如果穩(wěn)壓器能降低待機(jī)功耗,首選正輸出。一種解決方案是對電路進(jìn)行調(diào)整,確保正穩(wěn)壓器可與負(fù)電壓一起使用。另一種解決方案是在柵極電路內(nèi)簡單增加一個(gè)電容器,確保即使在選擇正電源的情況下,也能降低雙向可控硅柵極產(chǎn)生的電流。
特別推薦
- 車用開關(guān)電源的開關(guān)頻率定多高才不影響EMC?
- 大聯(lián)大世平集團(tuán)的駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)(DMS)方案榮獲第六屆“金輯獎(jiǎng)之最佳技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用”獎(jiǎng)
- 貿(mào)澤推出針對基礎(chǔ)設(shè)施和智慧城市的工程技術(shù)資源中心
- 貿(mào)澤電子開售用于IoT、智能和工業(yè)應(yīng)用的Siemens LOGO! 8.4云邏輯模塊
- 英飛凌推出全球最薄硅功率晶圓,突破技術(shù)極限并提高能效
- 東芝推出面向多種車載應(yīng)用3相直流無刷電機(jī)的新款柵極驅(qū)動(dòng)IC
- 村田開發(fā)兼顧伸縮性和可靠性的“可伸縮電路板”
技術(shù)文章更多>>
- DigiKey 2024 年第三季度新增 139 家供應(yīng)商和 611,000 多種創(chuàng)新產(chǎn)品,擴(kuò)展了新產(chǎn)品陣容
- 時(shí)刻關(guān)注“得捷時(shí)刻”直播活動(dòng),DigiKey 將在electronica 2024展示新產(chǎn)品,并贈(zèng)送精美禮品
- 意法半導(dǎo)體公布2024年第三季度財(cái)報(bào)
- 遠(yuǎn)山半導(dǎo)體發(fā)布新一代高壓氮化鎵功率器件
- Kvaser發(fā)布全新軟件CanKing 7:便捷CAN總線診斷與分析!
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
攝像頭
生產(chǎn)測試
聲表諧振器
聲傳感器
濕度傳感器
石英機(jī)械表
石英石危害
時(shí)間繼電器
時(shí)鐘IC
世強(qiáng)電訊
示波器
視頻IC
視頻監(jiān)控
收發(fā)器
手機(jī)開發(fā)
受話器
數(shù)字家庭
數(shù)字家庭
數(shù)字鎖相環(huán)
雙向可控硅
水泥電阻
絲印設(shè)備
伺服電機(jī)
速度傳感器
鎖相環(huán)
胎壓監(jiān)測
太陽能
太陽能電池
泰科源
鉭電容