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功率技術/新能源  

利用TRIAC元件實現交流開關觸發電路

上網時間: 2011年01月13日  打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:三極交流開關  固態開關  AC  TRIAC  ACS 

當今市面上所銷售的固態開關採用了多種不同的技術和設計。標準的三極交流開關(TRIAC)、無緩衝器的TRIAC,以及1990年代初推出的交流開關(ACS)系列元件是大家最熟悉的幾種固態開關產品。這些開關的導通都是由閘極電流所觸發的;但至於是從閘極流至汲極的電流或是從源極流到閘極的電流,則取決於所採用的技術或設計。因此,觸發電路必須將ACS類型納入考量,才能正確地觸發AC開關。由於ACS元件採用矽晶結構,所以閘極電流只能從閘極流至汲極。

在某些情況下,控制電路還必須與主要的電壓隔離開來,例如,在微控制器(MCU)參考電壓與AC開關參考電壓不同時;以及當一個新電器採用一個變頻器控制3相馬達,MCU連接在直流(DC)電壓軌上,而且ACS開關以線路電壓為參考電壓時,控制電路就必須與交流電壓隔離。如果設計人員想要從線路上隔離全部低壓電路時,控制電路也必須與交流電壓隔離。這種解決方案的成本較昂貴;而使用一種絕緣性能良好的用戶介面、並使所有電子電路都以線路為參考電壓的解決方案則較簡單,用戶控制台上只有幾個按鈕的設計就屬於這種情況。

用於觸發TRIAC的標準電壓隔離解決方案是一種串聯TRIAC A2與G端子的TRIAC光學元件。當然,還必須串聯一個電阻,以降低TRIAC光學元件上的閘極電流。這種驅動解決方案適用於所有的TRIAC元件。因此,當TRIAC上的電壓在導通前為正電壓時,正閘極電流觸發TRIAC導通;相反地,當TRIAC導通前是負電壓時,負閘極電流觸發TRIAC導通。因此,TRIAC可在Q1和Q3象限內被觸發導通。

如前文所述,ACS元件只能由負電流觸發。如果使用TRIAC光學元件驅動ACS元件時,ACS將只能在負偏壓時導通(因為在負偏壓時的閘極電流為負電流),這將導致ACS元件只能半週期導通。

這種開關模式顯然並不適合大多數應用,但是,有些新應用只需要半週期導通模式。例如,用於咖啡機中內建二極體的電泵,以及洗衣機門鎖用的電磁等,這些應用都只需要單一的半週期導通作業。

如果將線性電壓施加於閘極和COM端子上,ACS元件中的內部P-N結點可能會被毀損,因為該開關元件的耐擊穿電壓約10V。特別是在切換瞬變電壓或TRIAC光學元件短路時,就會發生這種情況。解決辦法是在COM-G結點上並聯一個低壓或高壓二極體,或者為TRIAC元件串聯一個低壓或高壓二極體(圖1)。值得注意的是,在第二種情況時(TRIAC光元件串聯一個二極體)中,可以用一個陽極端接至ACS閘極的反向隔離光電閘流體取代TRIAC光學元件。

圖1:採用TRIAC光學元件的半週期ACS控制解決方案。
圖1:採用TRIAC光學元件的半週期ACS控制解決方案。

對於家電應用而言,大多數的負載採用全週期控制模式。為了確保ACS元件的每個週期都能導通,我們必須修改先前的電路圖。這一解決辦法是增加一個低壓電容器來儲存一些電荷,以便在正電流開始導通時施加閘極電流。如圖2所示,該解決方案並使用了兩個低電壓二極體。

圖 2 :採用TRIAC光學元件的全週期ACS控制解決方案。
圖 2 :採用TRIAC光學元件的全週期ACS控制解決方案。

其工作原理如圖3所示:首先,TRIAC光學元件導通,C電容充電至達到VGT 參數為止(~ 0.7V)。然後,ACS在第3象限觸發導通,IGT 電流小於第2象限的閘極導通電流。其次,ACS保持導通至下一個零電流交叉點為止。G-COM電壓持續低至-0.7V,C電容維持充電狀態。最後,ACS電流增強,VG-COM電壓升高,C電容透過G極和COM極放電,並在閘極上施加最大10mA的峰值電流,使ACS觸發導通。

為了要施加更大的閘極電流,就必須選用高達330 μF左右的電容。

要注意的是,ACS每個週期都會關斷,C電容可利用這段時間充電。當端子上的電壓超過大約10V時,ACS將會導通。因為線性電流未被切斷,所以這種特性並不會導致EMI干擾過高。事實上,由於C電容充電的效果,使得線性電流的波形仍然近似於正弦波。

這三個電路圖可再加以修改,在R電阻和TRIAC光學元件之間增加一個R-C緩衝電路,以提高最後一個開關元件的抗干擾性,並擴大閘極脈衝寬度,從而更有效地觸發交流開關元件。

圖3 :圖2的電路工作原理圖。
圖3 :圖2的電路工作原理圖。

作者:Laurent Gonthier

Jean-Michel Simonnet

Antoine Passal

意法半導體公司





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