利用光電雙向晶閘管實現(xiàn)ACS交流開關(guān)觸發(fā)的設(shè)計案例

今天市場上銷售的固態(tài)開關(guān)采用多種不同的技術(shù)和設(shè)計。標(biāo)準(zhǔn)雙向晶閘管和無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)開關(guān)產(chǎn)品，這些開關(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，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開關(guān)類型，然后正確地觸發(fā)AC開關(guān)。對于ACS開關(guān)，因為采用硅結(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開關(guān)參考電壓不同時，控制電路必須與交流電源電壓隔離。當(dāng)一個新電器采用一個變頻器控制3相電機時，如果微控制器連接在直流電壓軌上，而且ACS開關(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，因為使用一個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單，控制面板上只有幾個按鈕的電器設(shè)計就屬于這種情況。

　　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)一個光電雙向晶閘管。當(dāng)然，還需串聯(lián)一個電阻，以降低光電晶閘管上的柵電流。這種驅(qū)動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，正柵極電流觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，相反，當(dāng)晶閘管導(dǎo)通前是負電壓時，負柵極電流觸發(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開關(guān)只能由負電流觸發(fā)。如果使用光電晶閘管驅(qū)動ACS開關(guān)，ACS只能在負偏壓時導(dǎo)通（因為在負偏壓時柵電流是負電流），這將導(dǎo)致ACS開關(guān)只能半周期導(dǎo)通。

　　這種開關(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)置一個二極管的咖啡機電泵和洗衣機艙門鎖電磁鐵，這些應(yīng)用都只需一個半周期導(dǎo)通操作。

　　如果線路電壓施加到柵極和COM端子上，ACS開關(guān)內(nèi)部P-N結(jié)可能會被燒毀，因為該開關(guān)的耐擊穿電壓大約10V。當(dāng)開關(guān)處理瞬變電壓或光電晶閘管短路時，就會發(fā)生這種情況。解決辦法是在COM-G結(jié)上并聯(lián)一個低壓或高壓二極管，或者給光電晶雙向閘管串聯(lián)一個低壓或高壓二極管（圖1）。注意，在第二種情況（光電雙向晶閘管串聯(lián)一個二極管）中，可以用一個陽極連接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開關(guān)控制解決方案。

　　對于家電，大多數(shù)負載采用全周期控制模式。為確保ACS開關(guān)每個周期都能導(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低壓電容，用于在開始正電流導(dǎo)通時施加一個柵極電流。如圖2所示，該解決方案還使用兩個低壓二極管，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)，直到下一個零電流交叉點為止。G-COM電壓降至-0.7 V，電容C充電。

　　3： ACS開關(guān)電流增強，VG-COM 電壓升高，電容C通過G極和COM極放電，并在柵極上施加最大10 mA的峰流，使ACS開關(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開關(guān)每個周期都將會關(guān)斷，電容C利用這段時間充電。當(dāng)端子上的電壓超過大約10V時，ACS開關(guān)將會導(dǎo)通。因為線路電流沒有切斷，所以這種特性不會導(dǎo)致EMI干擾過大。因為電容C的原因，線路電流的波形仍然近似正弦波。

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

　　圖2：采用光電雙向晶閘管的全周期ACS開關(guān)控制解決方案。

　　圖3：圖2電路的工作曲線圖。