正负电源基础知识以及如何符合双向可控硅触发要求

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。

表1.开关的触发象限和开关与直接驱动正负电源的兼容性

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