可控硅整流驱动电路为何优先选负电源?

可控硅整流器(SCR)及其衍生器件如双向可控硅(Triac)、ACST和ACS等，在电力电子电路中扮演着重要角色。这些器件的驱动电路设计和电源选择直接影响其性能和可靠性。在某些情况下，负电源成为优先选择的方案。

一、正负电源的基本概念

在交流电源中，电压的极性随时间变化，有时为正，有时为负。对于集成电路来说，通常只使用正电源，但在交流开关控制电路中，负电源却有其独特的优势。

正电源是指电源电压高于参考点(通常为地)的电源，而负电源则是电源电压低于参考点的电源。在可控硅整流驱动电路中，这两种电源的选择直接影响栅极电流的方向和开关器件的触发条件。

二、可控硅整流器的工作原理

可控硅整流器是一种电流控制器件，通过栅极电流控制其导通和关断。栅极电流必须加在栅极引脚上，并流经栅极和参考端子(如SCR的阴极K)。可控硅整流器只能在正栅极电流和阳极-阴极之间施加正电压的条件下导通。

双向可控硅、ACST和ACS等器件的触发条件更为复杂，它们可以在不同的栅极电流和电压极性组合下导通。这些组合被称为触发象限，通常分为四个象限：

象限1：正栅极电流和正电压

象限2：负栅极电流和正电压

象限3：负栅极电流和负电压

象限4：正栅极电流和负电压

三、负电源的优势

兼容性：

负电源兼容除SCR外的所有交流开关技术。这是因为SCR只能由正栅极电流触发，而双向可控硅、ACST和ACS则可以在正负栅极电流下触发。因此，使用负电源可以更加灵活地选择和控制这些器件。

电路设计的灵活性：

使用负电源时，可以更容易地实现某些特定的电路功能。例如，在驱动ACS开关时，需要负栅极电流，这时负电源成为唯一的选择。此外，负电源还可以简化某些复杂电路的设计，如通过修改栅极电路，可以使用正电源驱动三象限双向可控硅，但这种方法通常不如直接使用负电源来得简单和直接。

能效和成本：

在能效和成本方面，负电源也有其优势。虽然正输出开关式电源在降低待机功耗方面表现更好，但在许多应用中，只需要控制交流开关，这时可以考虑使用负电源。降压升压转换器支持负电压输出，且其拓扑结构与降压转换器一样容易实现。此外，与降压转换器相比，降压升压转换器节省了输出负载电阻或输出齐纳二极管，从而降低了成本。

安全性：

在某些情况下，使用负电源还可以提高电路的安全性。例如，在电机控制器中，通常给交流开关串联一个分流器来检测负载电流。如果采用正电源，当分流器上的电压升高时，被测量电压也随之升高，这可能导致电路故障或损坏。而使用负电源时，可以通过调整电路结构来避免这种风险。

四、实际应用中的负电源设计

在实际应用中，负电源的设计需要考虑多个因素，包括电源电压的选择、电源拓扑结构的确定以及驱动电路的实现等。

电源电压的选择：

电源电压的选择应根据具体的应用需求来确定。一般来说，电源电压应足够高以驱动开关器件，但也不能过高以免造成器件损坏或功耗过大。在选择电源电压时，还需要考虑电源的稳定性和纹波等因素。

电源拓扑结构的确定：

电源拓扑结构的选择应根据电路的具体要求来确定。常见的电源拓扑结构包括降压转换器、升压转换器、降压升压转换器等。在选择电源拓扑结构时，需要考虑电路的输入输出电压范围、功率需求、效率要求以及成本等因素。

驱动电路的实现：

驱动电路的实现是负电源设计中的关键部分。驱动电路应能够可靠地产生所需的栅极电流和电压极性组合，以触发开关器件。在设计驱动电路时，需要考虑电路的复杂性、可靠性以及成本等因素。

五、结论

综上所述，可控硅整流驱动电路中优先选用负电源的原因主要包括兼容性、电路设计的灵活性、能效和成本以及安全性等方面。在实际应用中，需要根据具体的应用需求和电路要求来确定电源电压、电源拓扑结构以及驱动电路的实现方式。通过合理的负电源设计，可以实现高效、可靠且安全的可控硅整流驱动电路。