如何利用一個(gè)光電雙向晶閘管實(shí)現ACS交流開(kāi)關(guān)觸發(fā)電

今天市場(chǎng)上銷(xiāo)售的固態(tài)開(kāi)關(guān)采用多種不同的技術(shù)和設計。標準雙向晶閘管和無(wú)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(kāi)關(guān)產(chǎn)品，這些開(kāi)關(guān)的導通都是由柵電流觸發(fā)的，但是，根據所采用的技術(shù)或設計，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(kāi)關(guān)類(lèi)型，然后正確地觸發(fā)AC開(kāi)關(guān)。對于ACS開(kāi)關(guān)，因為采用硅結構，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，當微控制器參考電壓與AC開(kāi)關(guān)參考電壓不同時(shí)，控制電路必須與交流電源電壓隔離。當一個(gè)新電器采用一個(gè)變頻器控制3相電機時(shí)，如果微控制器連接在直流電壓軌上，而且ACS開(kāi)關(guān)以線(xiàn)路電壓為參考電壓，控制電路就必須與交流電源電壓隔離。如果設計人員想要從線(xiàn)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(gè)絕緣性能良好的用戶(hù)界面、使所有電子電路都以線(xiàn)路為參考電壓的解決方案更簡(jiǎn)單，控制面板上只有幾個(gè)按鈕的電器設計就屬于這種情況。

標準的雙向晶閘管觸發(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(gè)光電雙向晶閘管。當然，還需串聯(lián)一個(gè)電阻，以降低光電晶閘管上的柵電流。這種驅動(dòng)解決方案適合所的雙向晶閘管。因此，當雙向晶閘管上的電壓在導通前是正電壓時(shí)，正柵極電流觸發(fā)晶閘管導通，相反，當晶閘管導通前是負電壓時(shí)，負柵極電流觸發(fā)晶閘管導通。因此，雙向晶閘管在Q1和Q3象限內導通。

如前文所述，ACS開(kāi)關(guān)只能由負電流觸發(fā)。如果使用光電晶閘管驅動(dòng)ACS開(kāi)關(guān)，ACS只能在負偏壓時(shí)導通（因為在負偏壓時(shí)柵電流是負電流），這將導致ACS開(kāi)關(guān)只能半周期導通。

這種開(kāi)關(guān)模式不適用于大多數應用，但是，有些新應用只需要半周期導通模式。例如，內置一個(gè)二極管的咖啡機電泵和洗衣機艙門(mén)鎖電磁鐵，這些應用都只需一個(gè)半周期導通操作。

如果線(xiàn)路電壓施加到柵極和COM端子上，ACS開(kāi)關(guān)內部P-N結可能會(huì )被燒毀，因為該開(kāi)關(guān)的耐擊穿電壓大約10V。當開(kāi)關(guān)處理瞬變電壓或光電晶閘管短路時(shí)，就會(huì )發(fā)生這種情況。解決辦法是在COM-G結上并聯(lián)一個(gè)低壓或高壓二極管，或者給光電晶雙向閘管串聯(lián)一個(gè)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(gè)二極管）中，可以用一個(gè)陽(yáng)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A(yíng)CS開(kāi)關(guān)控制解決方案

對于家電，大多數負載采用全周期控制模式。為確保ACS開(kāi)關(guān)每個(gè)周期都能導通，我們必須修改前面的電路示意圖。解決辦法是增加一個(gè)低壓電容，用于在開(kāi)始正電流導通時(shí)施加一個(gè)柵極電流。如圖2所示，該解決方案還使用兩個(gè)低壓二極管，工作原理如圖3所示。

-1: 光電雙向晶閘管導通，電容C充電，直到V_GT 為止(~ 0.7 V)。然后，ACS在第3象限導通，I_GT 電流小于第2象限的柵導通電流。

-2: ACS保持通態(tài)，直到下一個(gè)零電流交叉點(diǎn)為止。G-COM電壓降至-0.7 V，電容C充電。

-3: ACS開(kāi)關(guān)電流增強，V_G-COM 電壓升高，電容C通過(guò)G極和COM極放電，并在柵極上施加最大10 mA的峰流，使ACS開(kāi)關(guān)導通。

若想施加更大的柵電流，須選用330 µF左右的電容。

應該注意的是，ACS開(kāi)關(guān)每個(gè)周期都將會(huì )關(guān)斷，電容C利用這段時(shí)間充電。當端子上的電壓超過(guò)大約10V時(shí)，ACS開(kāi)關(guān)將會(huì )導通。因為線(xiàn)路電流沒(méi)有切斷，所以這種特性不會(huì )導致EMI干擾過(guò)大。因為電容C的原因，線(xiàn)路電流的波形仍然近似正弦波。

這三個(gè)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(gè)阻容緩沖電路，可以提高最終開(kāi)關(guān)的抗干擾性，擴大柵脈寬，更好地觸發(fā)交流開(kāi)關(guān)。

圖 2 – 采用光電雙向晶閘管的全周期A(yíng)CS開(kāi)關(guān)控制解決方案

圖3 – 圖2電路的工作曲線(xiàn)圖