利用光電雙向晶閘管實(shí)現(xiàn)ACS交流開(kāi)關(guān)觸發(fā)的設(shè)計(jì)案例

今天市場(chǎng)上銷售的固態(tài)開(kāi)關(guān)采用多種不同的技術(shù)和設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)雙向晶閘管和無(wú)緩沖器的雙向晶閘管以及90年代初推出的ACS系列產(chǎn)品是大家最熟悉的固態(tài)開(kāi)關(guān)產(chǎn)品，這些開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通都是由柵電流觸發(fā)的，但是，根據(jù)所采用的技術(shù)或設(shè)計(jì)，該電流可以是從柵極灌入的電流或者源出到柵極的電流。因此，觸發(fā)電路必須考慮AC開(kāi)關(guān)類型，然后正確地觸發(fā)AC開(kāi)關(guān)。對(duì)于ACS開(kāi)關(guān)，因?yàn)椴捎霉杞Y(jié)構(gòu)，所以柵電流只能是從柵極灌入。

　　在某些情況下，控制電路還必須與交流電源電壓隔離，例如，當(dāng)微控制器參考電壓與AC開(kāi)關(guān)參考電壓不同時(shí)，控制電路必須與交流電源電壓隔離。當(dāng)一個(gè)新電器采用一個(gè)變頻器控制3相電機(jī)時(shí)，如果微控制器連接在直流電壓軌上，而且ACS開(kāi)關(guān)以線路電壓為參考電壓，控制電路就必須與交流電源電壓隔離。如果設(shè)計(jì)人員想要從線路上隔離全部低壓電路，控制電路也必須與交流電源電壓隔離。這種解決方案通常情況下成本昂貴，因?yàn)槭褂靡粋€(gè)絕緣性能良好的用戶界面、使所有電子電路都以線路為參考電壓的解決方案更簡(jiǎn)單，控制面板上只有幾個(gè)按鈕的電器設(shè)計(jì)就屬于這種情況。

　　標(biāo)準(zhǔn)的雙向晶閘管觸發(fā)電路電壓隔離解決方案是在雙向晶閘管的A2和G端子上串聯(lián)一個(gè)光電雙向晶閘管。當(dāng)然，還需串聯(lián)一個(gè)電阻，以降低光電晶閘管上的柵電流。這種驅(qū)動(dòng)解決方案適合所的雙向晶閘管。因此，當(dāng)雙向晶閘管上的電壓在導(dǎo)通前是正電壓時(shí)，正柵極電流觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，相反，當(dāng)晶閘管導(dǎo)通前是負(fù)電壓時(shí)，負(fù)柵極電流觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通。因此，雙向晶閘管在Q1和Q3象限內(nèi)導(dǎo)通。

　　如前文所述，ACS開(kāi)關(guān)只能由負(fù)電流觸發(fā)。如果使用光電晶閘管驅(qū)動(dòng)ACS開(kāi)關(guān)，ACS只能在負(fù)偏壓時(shí)導(dǎo)通（因?yàn)樵谪?fù)偏壓時(shí)柵電流是負(fù)電流），這將導(dǎo)致ACS開(kāi)關(guān)只能半周期導(dǎo)通。

　　這種開(kāi)關(guān)模式不適用于大多數(shù)應(yīng)用，但是，有些新應(yīng)用只需要半周期導(dǎo)通模式。例如，內(nèi)置一個(gè)二極管的咖啡機(jī)電泵和洗衣機(jī)艙門鎖電磁鐵，這些應(yīng)用都只需一個(gè)半周期導(dǎo)通操作。

　　如果線路電壓施加到柵極和COM端子上，ACS開(kāi)關(guān)內(nèi)部P-N結(jié)可能會(huì)被燒毀，因?yàn)樵撻_(kāi)關(guān)的耐擊穿電壓大約10V。當(dāng)開(kāi)關(guān)處理瞬變電壓或光電晶閘管短路時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。解決辦法是在COM-G結(jié)上并聯(lián)一個(gè)低壓或高壓二極管，或者給光電晶雙向閘管串聯(lián)一個(gè)低壓或高壓二極管（圖1）。注意，在第二種情況（光電雙向晶閘管串聯(lián)一個(gè)二極管）中，可以用一個(gè)陽(yáng)極連接ACS柵極的反向隔離光電單向晶閘管替代光電雙向晶閘管。

　　圖1：采用光電雙向晶閘管的半周期ACS開(kāi)關(guān)控制解決方案。

　　對(duì)于家電，大多數(shù)負(fù)載采用全周期控制模式。為確保ACS開(kāi)關(guān)每個(gè)周期都能導(dǎo)通，我們必須修改前面的電路示意圖。解決辦法是增加一個(gè)低壓電容，用于在開(kāi)始正電流導(dǎo)通時(shí)施加一個(gè)柵極電流。如圖2所示，該解決方案還使用兩個(gè)低壓二極管，工作原理如圖3所示。

　　1： 光電雙向晶閘管導(dǎo)通，電容C充電，直到VGT 為止（~ 0.7 V）。然后，ACS在第3象限導(dǎo)通，IGT 電流小于第2象限的柵導(dǎo)通電流。

　　2： ACS保持通態(tài)，直到下一個(gè)零電流交叉點(diǎn)為止。G-COM電壓降至-0.7 V，電容C充電。

　　3： ACS開(kāi)關(guān)電流增強(qiáng)，VG-COM 電壓升高，電容C通過(guò)G極和COM極放電，并在柵極上施加最大10 mA的峰流，使ACS開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。

　　若想施加更大的柵電流，須選用330 μF左右的電容。

　　應(yīng)該注意的是，ACS開(kāi)關(guān)每個(gè)周期都將會(huì)關(guān)斷，電容C利用這段時(shí)間充電。當(dāng)端子上的電壓超過(guò)大約10V時(shí)，ACS開(kāi)關(guān)將會(huì)導(dǎo)通。因?yàn)榫€路電流沒(méi)有切斷，所以這種特性不會(huì)導(dǎo)致EMI干擾過(guò)大。因?yàn)殡娙軨的原因，線路電流的波形仍然近似正弦波。

　　這三個(gè)電路圖還能修改，在電阻R和光電雙向晶閘管之間增加一個(gè)阻容緩沖電路，可以提高最終開(kāi)關(guān)的抗干擾性，擴(kuò)大柵脈寬，更好地觸發(fā)交流開(kāi)關(guān)。

　　圖2：采用光電雙向晶閘管的全周期ACS開(kāi)關(guān)控制解決方案。

　　圖3：圖2電路的工作曲線圖。