基于新型器件STIL的浪涌電流限制電路（ICLC）設(shè)計(jì)

摘要：介紹了離線電源變換器新型浪涌電流限制器STIL的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了在PFC升壓變換器中的應(yīng)用電路及電源前端元件和STIL驅(qū)動(dòng)器電路的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：浪涌電流限制器；驅(qū)動(dòng)電路；設(shè)計(jì)

0??? 引言

??? 在AC/DC電源變換器啟動(dòng)期間，由于大容量電容器充電，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比系統(tǒng)正常工作電流高幾倍乃至50倍的浪涌電流。如果對(duì)浪涌電流不加以限制，在主電源上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的電壓降落，影響連接在同一電源網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的工作，并會(huì)燒毀輸入線路上的保險(xiǎn)絲。

??? 為了限制浪涌電流強(qiáng)度，傳統(tǒng)的解決方案主要有兩種：一種是在較低功率的電源系統(tǒng)橋式整流器之前，串接單獨(dú)的阻抗元件，如浪涌限制電阻或NTC熱敏電阻；另一種是使用SCR、Triac和繼電器等通路元件或半可控整流橋（HCRB），當(dāng)變換器啟動(dòng)時(shí)電容器一被充電，通過通路元件去短路串聯(lián)阻抗元件，以減小功率損耗。不論是采用哪一種方法，都有其缺點(diǎn)，或者是尺寸較大，或者是功率損耗較大，或者是響應(yīng)速度較慢，或者是抗干擾能力較差。

??? 意法半導(dǎo)體（ST）公司基于ICRB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并采用ASDTM專門工藝制造的STIL系列器件，是一種新型的浪涌電流限制器，具有低功耗、抗擾性強(qiáng)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

1??? STIL的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和主要電氣特性

??? 浪涌電流限制器STIL是基于HCRB制作的，內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括兩個(gè)非敏感單向功率開關(guān)及其驅(qū)動(dòng)器電路，與橋式整流器并聯(lián)使用。圖1示出了STIL的基本結(jié)構(gòu)及其在電源變換器應(yīng)用中的連接。

圖1??? STIL的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用連接

??? 在系統(tǒng)啟動(dòng)期間，STIL中的兩個(gè)單向開關(guān)是斷開的。浪涌電流通過二極管橋式整流和浪涌電阻Ri（通常為NTC熱敏元件）。隨著主電源變換器導(dǎo)通，與電源變壓器（或PFC變換器件升壓電感器）耦合在一起的輔助電源被啟動(dòng)，為STIL中的兩個(gè)開關(guān)提供足夠的能量使其接通。在正常狀態(tài)下，橋式整流器中只有2只二極管和兩個(gè)單向開關(guān)去整流AC線路電流。

??? STIL主要包含STIL-02和STIL04兩種型號(hào)，

??? 其通態(tài)輸出電流Iout(AV)分別為2A和4A（當(dāng)結(jié)溫Tj=150℃時(shí)），兩種器件斷態(tài)正向/反向電壓（VDout/VRout）均為700V，動(dòng)態(tài)電壓上升率dv/dt>500V/μs，驅(qū)動(dòng)器觸發(fā)電流最大值Ipt(max)=10mA，觸發(fā)電壓VD(pt)典型值為0.85V，開關(guān)門限直接電壓Vto=0.7V（典型值），動(dòng)態(tài)直接電阻Rd=70mΩ（典型值），正向壓降VF典型值為0.9V，總反向漏電流Ik<300μA。

2??? 應(yīng)用電路與設(shè)計(jì)

2.1??? 在PFC預(yù)變換器中的應(yīng)用電路

??? STIL在以L6561作為功率因數(shù)控制器的功率因數(shù)校正（PFC）預(yù)變換器中的應(yīng)用電路如圖2所示。其中，STIL、NTC（熱敏電阻）、PFC升壓電感器（L1）的附加繞組N2、二極管D1與D2、電容C1和C2及C3、電阻R1與R2等，組成PFC升壓變換器的浪涌電流限制電路（ICLC）。

圖2??? 浪涌電流限制器STIL02－P5在85WPFC升壓變換器中的應(yīng)用電路

??? 在系統(tǒng)啟動(dòng)期間，STIL中的兩個(gè)單向開關(guān)是斷開的，浪涌電流通過二極管橋式整流、NTC（R4）和二極管D3對(duì)PFC輸出電容C7充電（跟隨橋式整流器的小電容C6僅用作高頻旁路，不影響浪涌電流）。一旦PFC預(yù)變換器導(dǎo)通，與主電感器L1耦合在一起的輔助電源為STIL中的兩個(gè)功率開關(guān)提供需要的能量使其接通，AC線路電流經(jīng)STIL和橋式整流底部的2只二極管整流，R4中不再有電流通過，故減小了其功率損耗，有利于提高系統(tǒng)效率。一旦AC線路輸入中斷，PFC變換器和STIL的輔助電源截止，電容C7放電，STIL的兩個(gè)開關(guān)斷開。當(dāng)AC線路恢復(fù)時(shí)，兩個(gè)開關(guān)仍然斷開，浪涌電流對(duì)C7重新充電，并被R4限制。當(dāng)C7充電結(jié)束PFC電路進(jìn)入正常運(yùn)行時(shí)，STIL中的兩個(gè)開關(guān)接通。

2.2??? 設(shè)計(jì)方法

??? 假設(shè)PFC升壓變換器的主要技術(shù)規(guī)格為：

??? 最大輸出功率??? Pout(max)=85W；

??? DC穩(wěn)壓輸出電壓??? Vout=400V；

??? 最低AC線路輸入電壓??? Vin(min)=85V；

??? 最高AC線路輸入電壓??? Vin(max)=264V；

??? 系統(tǒng)效率??? η=0.8；

??? 峰值浪涌電流??? Ipeak<=30A；

??? 最大開關(guān)頻率??????? fs(max)=350kHz；

??? 升壓電感器L1電感值??? L=850μH。

??? 根據(jù)這些技術(shù)參數(shù)和STIL的電氣性能，可以對(duì)功率元器件和STIL驅(qū)動(dòng)電路元件進(jìn)行選擇。

2.2.1??? 功率元器件的選擇

??? 1）NTC熱敏電阻（R4）

??? R4在系統(tǒng)啟動(dòng)期間用以限制浪涌電流，在穩(wěn)態(tài)下被STIL短路。R4可用式（1）計(jì)算，即

??? R4=（1）

??? 對(duì)于220V的AC額定輸入電壓，由于Ipeak=30A，則R4=10Ω。

??? 2）STIL器件

??? 由于PFC升壓變換器能在AC線路輸入端產(chǎn)生一個(gè)正弦波電流，故最大輸出平均電流可由式（2）確定，即

??? Iout(AV)(max)=（2）

??? 將Pout(max)=85W，η=0.8和Vin(RMS)(min)=85V代入式（2），得Iout(AV)(max)=0.91A。由于STIL02的平均輸出電流為2A，故可選用STIL02作為浪涌電流限制器。

??? 3）橋式整流二極管

??? PFC進(jìn)入穩(wěn)壓工作后，橋式整流器中只有底部的2只二極管工作。通過二極管的最大平均電流與流過STIL02的最大輸出電流（0.91A）相同。整流二極管的平均電流必須高于Iout(AV)(max)，考慮到留有足夠的余量，可選用正向電流為4A的整流二極管。

??? PFC升壓變換器必須符合IEC61000-4-5電磁兼容（EMC）標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)在AC線路輸入電壓上施加一個(gè)2kV的浪涌瞬時(shí)電壓時(shí)，施加到橋式二極管上的快速瞬態(tài)過電壓（FTO）達(dá)694V。因此，整流二極管的重復(fù)峰值反向電壓應(yīng)當(dāng)高于該數(shù)值，可選擇800V。

??? 4）輸入保險(xiǎn)絲（Fu）

??? 在穩(wěn)壓條件下，通過保險(xiǎn)絲的最大電流發(fā)生于最低AC線路電壓下。其數(shù)值為：I=(Pout(max)/η)/Vin(RMS)(min)=(85W/0.8)/85V=1.25A。僅在電流過載期間，保險(xiǎn)絲才會(huì)熔斷。在浪涌期間，所承受的電流由標(biāo)準(zhǔn)（300A/8/20μs）確定。則選擇保險(xiǎn)絲的額定電流可為6.3A。

2.2.2??? STIL02驅(qū)動(dòng)器電路元件的選擇

??? 由L6561控制的有源PFC預(yù)調(diào)節(jié)器工作在臨界模式。升壓電感器數(shù)值L=850μH，在采用THOMSON-CSF B1ET2910A（ETD29mm×16mm×10mm）或OREGA 473201A8磁芯（氣隙長(zhǎng)度為1.25mm）時(shí)，初級(jí)線圈繞組（采用10×0.2mm絞合線）N1=90T。

??? 1）輔助繞組匝數(shù)N2的確定

??? 升壓電感器輔助繞組匝數(shù)N2可利用式（3）來計(jì)算，即

??? N2=（3）

式中：k=5，用作減小電容器C3兩端的紋波電壓；

????? Vout=400V，Vpt(max)=VDC(pt1)(max)=1V，二極管D1的正向壓降VD1=VD2=0.7V。

??? 根據(jù)式（3），N2=2.62T，選擇N2=3T。

??? 2）計(jì)算電容C1和C2的容值

??? PFC升壓變換器在通用的AC 85～265V輸入電壓下工作，電容C1和C2的容值由式（4）確定，即

??? C1=C2>=?（4）

式中：(Ipt1(max)＋I(xiàn)pt2(max))=20mA；

????? 85V為最低AC線路電壓峰值。

??? 將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（4），得C1=C2=210nF。考慮到±20％的離差，可選擇C1=C2=330nF。

??? 3）計(jì)算電阻R3的數(shù)值

??? PFC升壓變換器在臨界模式下操作，開關(guān)頻率不是固定的，而是變化的。R3的阻值選擇應(yīng)保證在最高開關(guān)頻率（350kHz）時(shí)充分充電，所以，R3的電阻值應(yīng)盡量小一些。在AC線路電壓過零附近，開關(guān)頻率最高。R3的選擇可由式（5）確定，即

??? R3<=?（5）

??? 將C1=330nF和fs(max)=350kHz代入式（5）得R3=0.29Ω，選擇R3=0.33Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻。

??? 4）R1和R2的選擇

??? R1和R2用作平衡STIL02兩個(gè)單向開關(guān)的引導(dǎo)控制電流。R1和R2不應(yīng)超過式（6）確定數(shù)值，即

??? R1=R2≤（6）

??? 將已知數(shù)據(jù)代入式（6）得R1=R2=854Ω，選擇R1=R2=820Ω。

??? 5）電容器C3的選擇

??? 當(dāng)PFC電路在AC線路電壓接近零時(shí)大約1ms的時(shí)間內(nèi)不工作時(shí)，要求C3仍能為STIL02提供足夠的能量，則C3應(yīng)不低于式（7）確定的容值，即

??? C3≥（7）

式中：死區(qū)時(shí)間tdead=1ms。

??? 根據(jù)式（7）計(jì)算的結(jié)果，C3≥8.2μF。

??? 當(dāng)AC線路電壓過低持續(xù)時(shí)間tbrownout結(jié)束之前，為激活浪涌電流限制功能，STIL02中的開關(guān)應(yīng)當(dāng)斷開。這就要求C3容值應(yīng)不超過式（8）確定的數(shù)值，即

??? C3≤（8）

??? 通常選擇tbrownout=20ns。由于R1=820Ω，C1=220nF，因此C3≤16μF。

??? 根據(jù)式（7）和式（8）計(jì)算的結(jié)果，可以選擇C3=10μF，便可以滿足tdead和tbrownout兩個(gè)條件。

??? 6）二極管D1和D2的選擇

??? 二極管D1和D2通過的電流都較小，所施加的反向電壓也不高，選擇BA149足可以滿足要求。

3??? 結(jié)語

??? 基于半可控整流橋（HCRB）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的STIL器件，與NTC熱敏元件等組成浪涌電流限制電路（ICLC）具有諸多優(yōu)點(diǎn)。事實(shí)上，STIL中的單向開關(guān)，是采用專門ASDTM工藝集成的高性能SCR，在其控制極電流（Igt）、dv/dt和反向漏電流（Ik）三個(gè)參數(shù)之間實(shí)現(xiàn)了較理想的折衷。這種單向開關(guān)的反向功耗是傳統(tǒng)HCRB電路中使用的分立非靈敏SCR（觸發(fā)電流為幾個(gè)mA）反向功耗（約900mW）的1/100，抗瞬態(tài)電壓沖擊能力（dv/dt）比靈敏SCR（觸發(fā)電流為幾十μA，dv/dt僅約10V/μs）高50～100倍。與獨(dú)立使用NTC熱敏電阻比較，功率損耗大大地降低。當(dāng)STIL用于80W變換器時(shí)，效率比單獨(dú)使用NTC熱敏電阻約提高1.5％。