利用光電雙向晶閘管實現ACS交流開關觸發的設計案例

今天市場上銷售的固態開關采用多種不同的技術和設計。標準雙向晶閘管和無緩沖器的雙向晶閘管以及90年代初推出的ACS系列產品是大家最熟悉的固態開關產品，這些開關的導通都是由柵電流觸發的，但是，根據所采用的技術或設計，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，觸發電路必須考慮AC開關類型，然后正確地觸發AC開關。對于ACS開關，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開關參考電壓不同時，控制電路必須與交流電源電壓隔離。當一個新電器采用一個變頻器控制3相電機時，如果微控制器連接在直流電壓軌上，而且ACS開關以線路電壓為參考電壓，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，因為使用一個絕緣性能良好的用戶界面、使所有電子電路都以線路為參考電壓的解決方案更簡單，控制面板上只有幾個按鈕的電器設計就屬于這種情況。

　　標準的雙向晶閘管觸發電路電壓隔離解決方案是在雙向晶閘管的A2和G端子上串聯一個光電雙向晶閘管。當然，還需串聯一個電阻，以降低光電晶閘管上的柵電流。這種驅動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，正柵極電流觸發晶閘管導通，相反，當晶閘管導通前是負電壓時，負柵極電流觸發晶閘管導通。因此，雙向晶閘管在Q1和Q3象限內導通。

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

　　這種開關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，內置一個二極管的咖啡機電泵和洗衣機艙門鎖電磁鐵，這些應用都只需一個半周期導通操作。

　　如果線路電壓施加到柵極和COM端子上，ACS開關內部P-N結可能會被燒毀，因為該開關的耐擊穿電壓大約10V。當開關處理瞬變電壓或光電晶閘管短路時，就會發生這種情況。解決辦法是在COM-G結上并聯一個低壓或高壓二極管，或者給光電晶雙向閘管串聯一個低壓或高壓二極管（圖1）。注意，在第二種情況（光電雙向晶閘管串聯一個二極管）中，可以用一個陽極連接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ACS開關控制解決方案。

　　對于家電，大多數負載采用全周期控制模式。為確保ACS開關每個周期都能導通，我們必須修改前面的電路示意圖。解決辦法是增加一個低壓電容，用于在開始正電流導通時施加一個柵極電流。如圖2所示，該解決方案還使用兩個低壓二極管，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VGT 為止（~ 0.7 V）。然后，ACS在第3象限導通，IGT 電流小于第2象限的柵導通電流。

　　2： ACS保持通態，直到下一個零電流交叉點為止。G-COM電壓降至-0.7 V，電容C充電。

　　3： ACS開關電流增強，VG-COM 電壓升高，電容C通過G極和COM極放電，并在柵極上施加最大10 mA的峰流，使ACS開關導通。

　　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開關每個周期都將會關斷，電容C利用這段時間充電。當端子上的電壓超過大約10V時，ACS開關將會導通。因為線路電流沒有切斷，所以這種特性不會導致EMI干擾過大。因為電容C的原因，線路電流的波形仍然近似正弦波。

　　這三個電路圖還能修改，在電阻R和光電雙向晶閘管之間增加一個阻容緩沖電路，可以提高最終開關的抗干擾性，擴大柵脈寬，更好地觸發交流開關。

　　圖2：采用光電雙向晶閘管的全周期ACS開關控制解決方案。

　　圖3：圖2電路的工作曲線圖。