【導讀】對于不經(jīng)常使用雙向可控硅的設計人員來說，「負電壓」可能聽起來很奇怪，因為世界上不可能存在采用負電壓工作的集成電路。然而，正如本文所述，從正輸出驅動雙向可控硅僅需簡單的解決方案即可，但在某些時候，采用負輸出驅動雙向可控硅更為合適。
在交流電源里，電壓有時為正有時為負。對于不經(jīng)常使用雙向可控硅的設計人員來說，「負電壓」可能聽起來很奇怪，因為世界上不可能存在采用負電壓工作的集成電路。然而，在某些應用，采用負輸出驅動雙向可控硅更為合適。
在交流電源里，電壓有時為正有時為負。對于不經(jīng)常使用雙向可控硅的設計人員來說，「負電壓」可能聽起來很奇怪，因為世界上不可能存在采用負電壓工作的集成電路。然而，正如本文所述，從正輸出驅動雙向可控硅僅需簡單的解決方案即可，但在某些時候，采用負輸出驅動雙向可控硅更為合適。
正負電源供應原理
如果功率半導體組件只能通過電源進行控制，其驅動參考點與市電（線路或中性端子）連接時，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）等交流開關的情況。這些組件均由柵極電流進行控制。該柵極電流只能施加在柵極針腳上，并在柵極和交流開關參考端子之間循環(huán)流動，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。由于交流開關控制電路和其電源只能連接到組件參考端子（回聯(lián)機電壓），因此須使用非絕緣電源。
有兩種方式將該驅動參考點與非絕緣電源連接：
方案1：將控制電路接地（VSS）與驅動參考點連接。
方案2：將控制電路電源電壓（VDD）與驅動參考點連接。
由于開關驅動參考點也是零電壓點（VSS），因此圖1a所示的方案1最常用。由于電源電壓（VDD）實際高于市電端子電勢（線路或中性），且電源端子電勢與驅動參考點（VSS）連接，因此，此種拓撲稱為正電壓。如果電源為5V，則VDD比市電參考點（圖1a示例中的中性端子）高5V。如下文所述，該拓撲結構僅可直接與標準雙向可控硅和可控硅整流器一起使用，而不能與非標準雙向可控硅、ACS和ACST一起使用。但根據(jù)本文結尾所述，使用者可進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稱為負電壓。電源電壓參考點（VSS）實際低于與市電參考點連接的A1或COM。如果電源為5V，則VSS比線路參考點低5V，或與線路相比為–5V。根據(jù)下文所述，該拓撲結構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技術的一致性
為開啟雙極器件等交流開關，必須在開關柵極針腳（G）和驅動參考端子之間施加柵極電流。然后會出現(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）。
．對于雙向可控硅和ACST，該柵極電流可為正也可為負（取決于施加給組件的電壓）。
．對于ACS，該柵極電流必須為負（從COM向G流動）。
采用正電壓很容易驅動可控硅整流器。如果陰極與VSS相連，如圖1a所示，當控制電路（通常是一個微控制器）輸出針腳處于較高電平時，電流來源于可控硅整流器的柵極。另一方面，直接驅動ACS需要負電源，如圖1b所示。因此，當控制電路輸出針腳處于較低電平時，電流應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觸發(fā)象限。當柵極電流來源于柵極時，其可視為正電流。當電壓與驅動參考點有關時，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：負柵極電流和正電壓。
．象限三：負柵極電流和負電壓。
．象限四：正柵極電流和負電壓。
根據(jù)雙向可控硅、ACS和ACST組件技術，這些組件可在每個象限中觸發(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適用的不同象限，并且列出了構成直接驅動電路的電源極性一致性，如表1所示。可看出負電源適用于所有交流開關技術，但可控硅整流器除外。由于負輸出允許使用任何其他技術更改某一零件號，因此采用負輸出成為首選。
電源拓撲結構易對輸出極性產生影響
如果微控制器（MCU）供應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，就會出現(xiàn)問題。如表1所示，在這種情況下確實不能進行直接控制。此外，開關電源（SMPS）經(jīng)常用于適應不同的待機功耗指令或標準。由于具有正輸出的開關電源是低輸出電流脫機轉換器最常用的拓撲結構，因此主要根據(jù)降壓轉換器的選型來進行開關電源的選型。
但在許多應用中僅須控制交流開關，因此應施加負電壓。而降壓-升壓轉換器允許負輸出。這種拓撲結構與降壓轉換器同樣易于實現(xiàn)。此外，對于降壓-升壓轉換器，由于其要求使用降壓拓撲結構，因此不需要增加輸出負載電阻或輸出穩(wěn)壓管。實際上，對于降壓，輸出電容器在每次MOSFET接通期間都會充電，從而在無負載或較小負載的情況下導致輸出過高。
降壓-升壓轉換器的效率及最大輸出電流應低于降壓轉換器，而輸出電容器應大于降壓轉換器。實際上，對于降壓轉換器，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。
如果兩個拓撲結構配有相同的電抗組件，那么它們的效率類似。
雖然帶有負輸出的開關電源可供使用，但我們仍將正輸出作為首選。在待機模式下，正輸出的功率消耗更低。實際上，我們發(fā)現(xiàn)正線性穩(wěn)壓器的內部功耗在50μA范圍內，而負穩(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電源的待機功耗。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負穩(wěn)壓器。
因此，應采用圖2的示意圖，將負電源的優(yōu)勢和正穩(wěn)壓器的優(yōu)勢結合起來。在該示意圖中，意法半導體旗下ST715M33R正穩(wěn)壓器的最大靜態(tài)電流為5.5μA，用于顯示「負」15V輸出提供的3.3V電源實現(xiàn)情況，而該「負」15V輸出可以來自使用VIPer06電路的降壓-升壓轉換器或反馳式電源轉換器（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電壓的正穩(wěn)壓器。
調整柵極電路 正電壓成為新選擇
除了選擇電源拓撲結構外，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用情況。這樣可對某些特定電氣參數(shù)進行監(jiān)測。例如，對于通用馬達裝置，通常我們會與交流開關串聯(lián)增加一個分流電阻器來感知負載電流，從而實現(xiàn)速度或扭矩（Torque）的死循環(huán)控制。在電能計量應用中，為計算電網(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，因此我們會采用傳統(tǒng)方式對電路施加正電壓。此類方式還適用于負電壓。因此，我們對微控制器的固件邏輯進行調整，將此逆向測量措施考慮在內。
如果明確選擇了正電壓，我們仍有方案來驅動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驅動電路。
該示意圖的工作原理如下：
．當微控制器I/O針腳處于高電平（VDD）時，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的電壓為負時，該雙向可控硅不會開啟（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。
．當微控制器I/O針腳處于低電平（VSS）時，C1通過R1放電，為雙向可控硅柵極提供負電流。如果第二象限或第三象限的端子電壓為正或負，則可分別觸發(fā)這兩個象限的雙向可控硅。在電容器C1放電前，電流一直為負。
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，須施加柵極交流電流。這種控制方法的優(yōu)勢在于，電容器會阻礙重置或封閉造成微控制器侵害時產生的直流電流，并提高應用的安全等級。
多種電源解決方案滿足降低待機功耗需求
為滿足待機功耗的不同標準，開關電源的應用越來越頻繁。通常人們使用帶有正輸出的電源，但當負電壓滿足各種交流開關的條件時，負電壓可能更為合適。如果穩(wěn)壓器能降低待機功耗，首選正輸出。一種解決方案是對電路進行調整，確保正穩(wěn)壓器可與負電壓一起使用。另一種解決方案是在柵極電路內簡單增加一個電容器，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生的電流。
