利用光电双向晶闸管实现ACS交流开关触发的设计案例

　　今天市场上销售的固态开关采用多种不同的技术和设计。标准双向晶闸管和无缓冲器的双向晶闸管以及90年代初推出的ACS系列产品是大家最熟悉的固态开关产品，这些开关的导通都是由栅电流触发的，但是，根据所采用的技术或设计，该电流可以是从栅极灌入的电流或者源出到栅极的电流。因此，触发电路必须考虑AC开关类型，然后正确地触发AC开关。对于ACS开关，因为采用硅结构，所以栅电流只能是从栅极灌入。

　　在某些情况下，控制电路还必须与交流电源电压隔离，例如，当微控制器参考电压与AC开关参考电压不同时，控制电路必须与交流电源电压隔离。当一个新电器采用一个变频器控制3相电机时，如果微控制器连接在直流电压轨上，而且ACS开关以线路电压为参考电压，控制电路就必须与交流电源电压隔离。如果设计人员想要从线路上隔离全部低压电路，控制电路也必须与交流电源电压隔离。这种解决方案通常情况下成本昂贵，因为使用一个绝缘性能良好的用户界面、使所有电子电路都以线路为参考电压的解决方案更简单，控制面板上只有几个按钮的电器设计就属于这种情况。

　　标准的双向晶闸管触发电路电压隔离解决方案是在双向晶闸管的A2和G端子上串联一个光电双向晶闸管。当然，还需串联一个电阻，以降低光电晶闸管上的栅电流。这种驱动解决方案适合所的双向晶闸管。因此，当双向晶闸管上的电压在导通前是正电压时，正栅极电流触发晶闸管导通，相反，当晶闸管导通前是负电压时，负栅极电流触发晶闸管导通。因此，双向晶闸管在Q1和Q3象限内导通。

　　如前文所述，ACS开关只能由负电流触发。如果使用光电晶闸管驱动ACS开关，ACS只能在负偏压时导通（因为在负偏压时栅电流是负电流），这将导致ACS开关只能半周期导通。

　　这种开关模式不适用于大多数应用，但是，有些新应用只需要半周期导通模式。例如，内置一个二极管的咖啡机电泵和洗衣机舱门锁电磁铁，这些应用都只需一个半周期导通操作。

　　如果线路电压施加到栅极和COM端子上，ACS开关内部P-N结可能会被烧毁，因为该开关的耐击穿电压大约10V。当开关处理瞬变电压或光电晶闸管短路时，就会发生这种情况。解决办法是在COM-G结上并联一个低压或高压二极管，或者给光电晶双向闸管串联一个低压或高压二极管（图1）。注意，在第二种情况（光电双向晶闸管串联一个二极管）中，可以用一个阳极连接ACS栅极的反向隔离光电单向晶闸管替代光电双向晶闸管。

 

　　

　　图1：采用光电双向晶闸管的半周期ACS开关控制解决方案。

 

　　今天市场上销售的固态开关采用多种不同的技术和设计。标准双向晶闸管和无缓冲器的双向晶闸管以及90年代初推出的ACS系列产品是大家最熟悉的固态开关产品，这些开关的导通都是由栅电流触发的，但是，根据所采用的技术或设计，该电流可以是从栅极灌入的电流或者源出到栅极的电流。因此，触发电路必须考虑AC开关类型，然后正确地触发AC开关。对于ACS开关，因为采用硅结构，所以栅电流只能是从栅极灌入。

　　在某些情况下，控制电路还必须与交流电源电压隔离，例如，当微控制器参考电压与AC开关参考电压不同时，控制电路必须与交流电源电压隔离。当一个新电器采用一个变频器控制3相电机时，如果微控制器连接在直流电压轨上，而且ACS开关以线路电压为参考电压，控制电路就必须与交流电源电压隔离。如果设计人员想要从线路上隔离全部低压电路，控制电路也必须与交流电源电压隔离。这种解决方案通常情况下成本昂贵，因为使用一个绝缘性能良好的用户界面、使所有电子电路都以线路为参考电压的解决方案更简单，控制面板上只有几个按钮的电器设计就属于这种情况。

　　标准的双向晶闸管触发电路电压隔离解决方案是在双向晶闸管的A2和G端子上串联一个光电双向晶闸管。当然，还需串联一个电阻，以降低光电晶闸管上的栅电流。这种驱动解决方案适合所的双向晶闸管。因此，当双向晶闸管上的电压在导通前是正电压时，正栅极电流触发晶闸管导通，相反，当晶闸管导通前是负电压时，负栅极电流触发晶闸管导通。因此，双向晶闸管在Q1和Q3象限内导通。

　　如前文所述，ACS开关只能由负电流触发。如果使用光电晶闸管驱动ACS开关，ACS只能在负偏压时导通（因为在负偏压时栅电流是负电流），这将导致ACS开关只能半周期导通。

　　这种开关模式不适用于大多数应用，但是，有些新应用只需要半周期导通模式。例如，内置一个二极管的咖啡机电泵和洗衣机舱门锁电磁铁，这些应用都只需一个半周期导通操作。

　　如果线路电压施加到栅极和COM端子上，ACS开关内部P-N结可能会被烧毁，因为该开关的耐击穿电压大约10V。当开关处理瞬变电压或光电晶闸管短路时，就会发生这种情况。解决办法是在COM-G结上并联一个低压或高压二极管，或者给光电晶双向闸管串联一个低压或高压二极管（图1）。注意，在第二种情况（光电双向晶闸管串联一个二极管）中，可以用一个阳极连接ACS栅极的反向隔离光电单向晶闸管替代光电双向晶闸管。

 

　　

　　图1：采用光电双向晶闸管的半周期ACS开关控制解决方案。

 

　　对于家电，大多数负载采用全周期控制模式。为确保ACS开关每个周期都能导通，我们必须修改前面的电路示意图。解决办法是增加一个低压电容，用于在开始正电流导通时施加一个栅极电流。如图2所示，该解决方案还使用两个低压二极管，工作原理如图3所示。

　　1： 光电双向晶闸管导通，电容C充电，直到VGT 为止（~ 0.7 V）。然后，ACS在第3象限导通，IGT 电流小于第2象限的栅导通电流。

　　2： ACS保持通态，直到下一个零电流交叉点为止。G-COM电压降至-0.7 V，电容C充电。

　　3： ACS开关电流增强，VG-COM 电压升高，电容C通过G极和COM极放电，并在栅极上施加最大10 mA的峰流，使ACS开关导通。

　　若想施加更大的栅电流，须选用330 μF左右的电容。

　　应该注意的是，ACS开关每个周期都将会关断，电容C利用这段时间充电。当端子上的电压超过大约10V时，ACS开关将会导通。因为线路电流没有切断，所以这种特性不会导致EMI干扰过大。因为电容C的原因，线路电流的波形仍然近似正弦波。

　　这三个电路图还能修改，在电阻R和光电双向晶闸管之间增加一个阻容缓冲电路，可以提高最终开关的抗干扰性，扩大栅脉宽，更好地触发交流开关。

 

　　

　　图2：采用光电双向晶闸管的全周期ACS开关控制解决方案。

 

　　

　　图3：图2电路的工作曲线图。