一種雙向可控硅觸發電路的應用

魏文燕

(武漢東湖學院，湖北 武漢 430212)

雙向可控硅是一種功率半導體器件，也稱雙向晶閘管，在單片機控制系統中，可作為功率驅動器件。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開關使用。為減小驅動功率和可控硅觸發時產生的干擾，交流電路雙向可控硅的觸發常采用過零觸發電路。在負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雙向可控硅，負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，在負載電流每個半周的終點斷開，而斷開需滿足負載電流降到維持電流IH 之下并歷經必要維持時間這一條件，讓所有的載流子撤出，才能回復至截止狀態。

目前，雙向可控硅觸發電路可采用的拓撲結構有如下兩個方案。方案1：將MCU控制電路地(VSS)與負載參考點連接，即正電壓拓撲結構。方案2：將MCU控制電路電源電壓(VDD)與負載參考點連接，即負電壓拓撲結構。

圖1 正電壓拓撲結構

如圖1所示，MCU控制電路地(VSS)與負載參考點連接，MCU控制電路電源(VDD)實際高于負載參考點。如果MCU控制電路電源為5V，則VDD比負載參考點高5V。由于大多數電路都采用正電壓，如外接已經固定的LED燈，LED燈的正極連接控制板，那么控制板則需輸出正電壓，即處在正電源拓撲結構中；同時，控制板又有可控硅觸發電路。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撲結構。MCU輸出正電壓脈沖，門極正電流觸發，雙向可控硅導通。而負電壓拓撲結構則是MCU控制電路電源電壓(VDD)與負載參考點連接，電源電壓參考點(VSS)實際低于負載參考點。如果MCU控制電路電源為5 V，則VSS比負載參考點低5 V，或者與線路相比為-5 V。MCU輸出負電壓脈沖，門極負電流觸發，雙向可控硅導通。

雙向可控硅可以用門極和MT1、MT2間的正向或負向電流觸發，因而能在四個象限觸發。在正電源拓撲結構中，門極觸發電流為正，負載接交流電壓時雙向可控硅不可避免地運行在第四象限，由于雙向可控硅的內部結構，門極離主載流區域較遠，導致下列后果：(1)需要更大的觸發電流IG，加大耗散功率；(2)由IG 觸發到負載電流開始流動，兩者之間遲后時間較長，則要求IG 維持較長時間，這同樣會導致更大耗散功率，并且降低靈敏度。(3)低得多的dIT/dt 承受能力，會導致可控硅的非正常導通，器件可靠性變低，電路穩定性變差；因此在負載電流過零時，門極用直流或單極脈沖觸發，優先采用負的觸發電流。可當外部電路已經固定為正電源拓撲結構，那么為了避免上述后果，則需給雙向可控硅提供負門極觸發電流[1]。負電壓拓撲結構是更好的方式，但是客觀上應用時外部電路只能處于正電壓拓撲結構，因此需要將正電壓拓撲結構進行變換。

綜上所述，本方案提過在外部電路已經固定為正電壓拓撲結構中，為雙向可控硅提供負的門極觸發電流的電路，即MCU輸出正的觸發脈沖，通過電荷泵使其轉為負電壓脈沖。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電感作為儲能元件實現電壓變換，但是電感體積龐大、容易飽和、會產生EMI而且電感價格昂貴。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，非常適合負載電流不大的觸發電路(電荷泵的輸出電流受電容容量的限制)。

圖2 負門極觸發電流的正電源拓撲結構

本觸發電路采用的負電荷泵利用電容兩端電壓差不會跳變的特性，當電路保持充放電狀態時，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，從而可得到負電壓輸出。如圖3所示，在正電源拓撲結構中，MCU輸出正電壓脈沖時，其正電壓V+向C1充電(左負右正)，C1上電壓為V+；當MCU輸出為0時，C1通過D2向C2充電(下正上負，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，觸發電流也為負。而電容充放電導致脈沖信號的延時，可以通過調節脈沖寬度解決。

本方案提供了一種在正電壓拓撲結構中的低成本、低EMI的雙向可控硅門極負觸發電路。在正電壓拓撲結構中，利用電荷泵使得雙向可控硅觸發脈沖由正電壓變為負電壓，使得其觸發電流為負，避免工作在第四象限，從而獲得更好的器件穩定性和可靠性。