魏文燕

(武漢東湖學(xué)院，湖北 武漢 430212)

雙向可控硅是一種功率半導(dǎo)體器件，也稱雙向晶閘管，在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，可作為功率驅(qū)動器件。由于雙向可控硅沒有反向耐壓問題，控制電路簡單，因此特別適合做交流無觸點(diǎn)開關(guān)使用。為減小驅(qū)動功率和可控硅觸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的干擾，交流電路雙向可控硅的觸發(fā)常采用過零觸發(fā)電路。在負(fù)載電壓為零或零附近的瞬間，門極G和T1極之間的微小信號電流觸發(fā)雙向可控硅，負(fù)載電流能沿任一方向在T1極和T2極間流動。由于雙向可控硅用于交流電路，在負(fù)載電流每個(gè)半周的終點(diǎn)斷開，而斷開需滿足負(fù)載電流降到維持電流IH 之下并歷經(jīng)必要維持時(shí)間這一條件，讓所有的載流子撤出，才能回復(fù)至截止?fàn)顟B(tài)。

目前，雙向可控硅觸發(fā)電路可采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有如下兩個(gè)方案。方案1：將MCU控制電路地(VSS)與負(fù)載參考點(diǎn)連接，即正電壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。方案2：將MCU控制電路電源電壓(VDD)與負(fù)載參考點(diǎn)連接，即負(fù)電壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 正電壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖1所示，MCU控制電路地(VSS)與負(fù)載參考點(diǎn)連接，MCU控制電路電源(VDD)實(shí)際高于負(fù)載參考點(diǎn)。如果MCU控制電路電源為5V，則VDD比負(fù)載參考點(diǎn)高5V。由于大多數(shù)電路都采用正電壓，如外接已經(jīng)固定的LED燈，LED燈的正極連接控制板，那么控制板則需輸出正電壓，即處在正電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中；同時(shí)，控制板又有可控硅觸發(fā)電路。此類型電路適合采用本方案。所以通常都采用方案一的正電壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。MCU輸出正電壓脈沖，門極正電流觸發(fā)，雙向可控硅導(dǎo)通。而負(fù)電壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則是MCU控制電路電源電壓(VDD)與負(fù)載參考點(diǎn)連接，電源電壓參考點(diǎn)(VSS)實(shí)際低于負(fù)載參考點(diǎn)。如果MCU控制電路電源為5 V，則VSS比負(fù)載參考點(diǎn)低5 V，或者與線路相比為-5 V。MCU輸出負(fù)電壓脈沖，門極負(fù)電流觸發(fā)，雙向可控硅導(dǎo)通。

雙向可控硅可以用門極和MT1、MT2間的正向或負(fù)向電流觸發(fā)，因而能在四個(gè)象限觸發(fā)。在正電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，門極觸發(fā)電流為正，負(fù)載接交流電壓時(shí)雙向可控硅不可避免地運(yùn)行在第四象限，由于雙向可控硅的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，門極離主載流區(qū)域較遠(yuǎn)，導(dǎo)致下列后果：(1)需要更大的觸發(fā)電流IG，加大耗散功率；(2)由IG 觸發(fā)到負(fù)載電流開始流動，兩者之間遲后時(shí)間較長，則要求IG 維持較長時(shí)間，這同樣會導(dǎo)致更大耗散功率，并且降低靈敏度。(3)低得多的dIT/dt 承受能力，會導(dǎo)致可控硅的非正常導(dǎo)通，器件可靠性變低，電路穩(wěn)定性變差；因此在負(fù)載電流過零時(shí)，門極用直流或單極脈沖觸發(fā)，優(yōu)先采用負(fù)的觸發(fā)電流。可當(dāng)外部電路已經(jīng)固定為正電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，那么為了避免上述后果，則需給雙向可控硅提供負(fù)門極觸發(fā)電流[1]。負(fù)電壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是更好的方式，但是客觀上應(yīng)用時(shí)外部電路只能處于正電壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此需要將正電壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行變換。

綜上所述，本方案提過在外部電路已經(jīng)固定為正電壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，為雙向可控硅提供負(fù)的門極觸發(fā)電流的電路，即MCU輸出正的觸發(fā)脈沖，通過電荷泵使其轉(zhuǎn)為負(fù)電壓脈沖。電荷泵電路就是利用電容作為儲能元件的電壓變換電路。一般電壓變換電路通常采用一個(gè)電感作為儲能元件實(shí)現(xiàn)電壓變換，但是電感體積龐大、容易飽和、會產(chǎn)生EMI而且電感價(jià)格昂貴。為解決此類問題，我們采用電荷泵電路。電荷泵采用電容作為儲能元件，外接器件少，非常適合負(fù)載電流不大的觸發(fā)電路(電荷泵的輸出電流受電容容量的限制)。

圖2 負(fù)門極觸發(fā)電流的正電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本觸發(fā)電路采用的負(fù)電荷泵利用電容兩端電壓差不會跳變的特性，當(dāng)電路保持充放電狀態(tài)時(shí)，電容兩端電壓差保持恒定。在這種情況下將原來的高電位端接地，從而可得到負(fù)電壓輸出。如圖3所示，在正電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，MCU輸出正電壓脈沖時(shí)，其正電壓V+向C1充電(左負(fù)右正)，C1上電壓為V+；當(dāng)MCU輸出為0時(shí)，C1通過D2向C2充電(下正上負(fù)，高電位接地)，忽略D2上的壓降，C2上充電的電壓為-V，雙向可控硅的門極電壓為-V，觸發(fā)電流也為負(fù)。而電容充放電導(dǎo)致脈沖信號的延時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)脈沖寬度解決。

本方案提供了一種在正電壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的低成本、低EMI的雙向可控硅門極負(fù)觸發(fā)電路。在正電壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，利用電荷泵使得雙向可控硅觸發(fā)脈沖由正電壓變?yōu)樨?fù)電壓，使得其觸發(fā)電流為負(fù)，避免工作在第四象限，從而獲得更好的器件穩(wěn)定性和可靠性。