一种双向可控硅触发电路的应用

魏文燕

(武汉东湖学院，湖北 武汉 430212)

双向可控硅是一种功率半导体器件，也称双向晶闸管，在单片机控制系统中，可作为功率驱动器件。由于双向可控硅没有反向耐压问题，控制电路简单，因此特别适合做交流无触点开关使用。为减小驱动功率和可控硅触发时产生的干扰，交流电路双向可控硅的触发常采用过零触发电路。在负载电压为零或零附近的瞬间，门极G和T1极之间的微小信号电流触发双向可控硅，负载电流能沿任一方向在T1极和T2极间流动。由于双向可控硅用于交流电路，在负载电流每个半周的终点断开，而断开需满足负载电流降到维持电流IH 之下并历经必要维持时间这一条件，让所有的载流子撤出，才能回复至截止状态。

目前，双向可控硅触发电路可采用的拓扑结构有如下两个方案。方案1：将MCU控制电路地(VSS)与负载参考点连接，即正电压拓扑结构。方案2：将MCU控制电路电源电压(VDD)与负载参考点连接，即负电压拓扑结构。

图1 正电压拓扑结构

如图1所示，MCU控制电路地(VSS)与负载参考点连接，MCU控制电路电源(VDD)实际高于负载参考点。如果MCU控制电路电源为5V，则VDD比负载参考点高5V。由于大多数电路都采用正电压，如外接已经固定的LED灯，LED灯的正极连接控制板，那么控制板则需输出正电压，即处在正电源拓扑结构中；同时，控制板又有可控硅触发电路。此类型电路适合采用本方案。所以通常都采用方案一的正电压拓扑结构。MCU输出正电压脉冲，门极正电流触发，双向可控硅导通。而负电压拓扑结构则是MCU控制电路电源电压(VDD)与负载参考点连接，电源电压参考点(VSS)实际低于负载参考点。如果MCU控制电路电源为5 V，则VSS比负载参考点低5 V，或者与线路相比为-5 V。MCU输出负电压脉冲，门极负电流触发，双向可控硅导通。

双向可控硅可以用门极和MT1、MT2间的正向或负向电流触发，因而能在四个象限触发。在正电源拓扑结构中，门极触发电流为正，负载接交流电压时双向可控硅不可避免地运行在第四象限，由于双向可控硅的内部结构，门极离主载流区域较远，导致下列后果：(1)需要更大的触发电流IG，加大耗散功率；(2)由IG 触发到负载电流开始流动，两者之间迟后时间较长，则要求IG 维持较长时间，这同样会导致更大耗散功率，并且降低灵敏度。(3)低得多的dIT/dt 承受能力，会导致可控硅的非正常导通，器件可靠性变低，电路稳定性变差；因此在负载电流过零时，门极用直流或单极脉冲触发，优先采用负的触发电流。可当外部电路已经固定为正电源拓扑结构，那么为了避免上述后果，则需给双向可控硅提供负门极触发电流[1]。负电压拓扑结构是更好的方式，但是客观上应用时外部电路只能处于正电压拓扑结构，因此需要将正电压拓扑结构进行变换。

综上所述，本方案提过在外部电路已经固定为正电压拓扑结构中，为双向可控硅提供负的门极触发电流的电路，即MCU输出正的触发脉冲，通过电荷泵使其转为负电压脉冲。电荷泵电路就是利用电容作为储能元件的电压变换电路。一般电压变换电路通常采用一个电感作为储能元件实现电压变换，但是电感体积庞大、容易饱和、会产生EMI而且电感价格昂贵。为解决此类问题，我们采用电荷泵电路。电荷泵采用电容作为储能元件，外接器件少，非常适合负载电流不大的触发电路(电荷泵的输出电流受电容容量的限制)。

图2 负门极触发电流的正电源拓扑结构

本触发电路采用的负电荷泵利用电容两端电压差不会跳变的特性，当电路保持充放电状态时，电容两端电压差保持恒定。在这种情况下将原来的高电位端接地，从而可得到负电压输出。如图3所示，在正电源拓扑结构中，MCU输出正电压脉冲时，其正电压V+向C1充电(左负右正)，C1上电压为V+；当MCU输出为0时，C1通过D2向C2充电(下正上负，高电位接地)，忽略D2上的压降，C2上充电的电压为-V，双向可控硅的门极电压为-V，触发电流也为负。而电容充放电导致脉冲信号的延时，可以通过调节脉冲宽度解决。

本方案提供了一种在正电压拓扑结构中的低成本、低EMI的双向可控硅门极负触发电路。在正电压拓扑结构中，利用电荷泵使得双向可控硅触发脉冲由正电压变为负电压，使得其触发电流为负，避免工作在第四象限，从而获得更好的器件稳定性和可靠性。