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基于新型器件STIL的浪涌电流限制电路(ICLC)设计

摘要:介绍了离线电源变换器新型浪涌电流限制器STIL的基本结构和工作原理,给出了在PFC升压变换器中的应用电路及电源前端元件和STIL驱动器电路的设计方法。

0    引言

    在AC/DC电源变换器启动期间,由于大容量电容器充电,会产生一个比系统正常工作电流高几倍乃至50倍的浪涌电流。如果对浪涌电流不加以限制,在主电源上会产生一个较大的电压降落,影响连接在同一电源网络中设备的工作,并会烧毁输入线路上的保险丝。

    为了限制浪涌电流强度,传统的解决方案主要有两种:一种是在较低功率的电源系统桥式整流器之前,串接单独的阻抗元件,如浪涌限制电阻或NTC热敏电阻;另一种是使用SCR、Triac和继电器等通路元件或半可控整流桥(HCRB),当变换器启动时电容器一被充电,通过通路元件去短路串联阻抗元件,以减小功率损耗。不论是采用哪一种方法,都有其缺点,或者是尺寸较大,或者是功率损耗较大,或者是响应速度较慢,或者是抗干扰能力较差。

    意法半导体(ST)公司基于ICRB拓扑结构并采用ASDTM专门工艺制造的STIL系列器件,是一种新型的浪涌电流限制器,具有低功耗、抗扰性强和可靠性高等优点。

1    STIL的基本结构、工作原理和主要电气特性

    浪涌电流限制器STIL是基于HCRB制作的,内部结构主要包括两个非敏感单向功率开关及其驱动器电路,与桥式整流器并联使用。图1示出了STIL的基本结构及其在电源变换器应用中的连接。

图1    STIL的内部结构及其应用连接

    在系统启动期间,STIL中的两个单向开关是断开的。浪涌电流通过二极管桥式整流和浪涌电阻Ri(通常为NTC热敏元件)。随着主电源变换器导通,与电源变压器(或PFC变换器件升压电感器)耦合在一起的辅助电源被启动,为STIL中的两个开关提供足够的能量使其接通。在正常状态下,桥式整流器中只有2只二极管和两个单向开关去整流AC线路电流。

    STIL主要包含STIL-02和STIL04两种型号,

    其通态输出电流Iout(AV)分别为2A和4A(当结温Tj=150℃时),两种器件断态正向/反向电压(VDout/VRout)均为700V,动态电压上升率dv/dt>500V/μs,驱动器触发电流最大值Ipt(max)=10mA,触发电压VD(pt)典型值为0.85V,开关门限直接电压Vto=0.7V(典型值),动态直接电阻Rd=70mΩ(典型值),正向压降VF典型值为0.9V,总反向漏电流Ik<300μA。

2    应用电路与设计

2.1    在PFC预变换器中的应用电路

    STIL在以L6561作为功率因数控制器的功率因数校正(PFC)预变换器中的应用电路如图2所示。其中,STIL、NTC(热敏电阻)、PFC升压电感器(L1)的附加绕组N2、二极管D1与D2、电容C1C2C3、电阻R1R2等,组成PFC升压变换器的浪涌电流限制电路(ICLC)。

图2    浪涌电流限制器STIL02-P5在85WPFC升压变换器中的应用电路

    在系统启动期间,STIL中的两个单向开关是断开的,浪涌电流通过二极管桥式整流、NTC(R4)和二极管D3对PFC输出电容C7充电(跟随桥式整流器的小电容C6仅用作高频旁路,不影响浪涌电流)。一旦PFC预变换器导通,与主电感器L1耦合在一起的辅助电源为STIL中的两个功率开关提供需要的能量使其接通,AC线路电流经STIL和桥式整流底部的2只二极管整流,R4中不再有电流通过,故减小了其功率损耗,有利于提高系统效率。一旦AC线路输入中断,PFC变换器和STIL的辅助电源截止,电容C7放电,STIL的两个开关断开。当AC线路恢复时,两个开关仍然断开,浪涌电流对C7重新充电,并被R4限制。当C7充电结束PFC电路进入正常运行时,STIL中的两个开关接通。

2.2    设计方法

    假设PFC升压变换器的主要技术规格为:

    最大输出功率    Pout(max)=85W;

    DC稳压输出电压    Vout=400V;

    最低AC线路输入电压    Vin(min)=85V;

    最高AC线路输入电压    Vin(max)=264V;

    系统效率    η=0.8;

    峰值浪涌电流    Ipeak<=30A;

    最大开关频率        fs(max)=350kHz;

    升压电感器L1电感值    L=850μH。

    根据这些技术参数和STIL的电气性能,可以对功率元器件和STIL驱动电路元件进行选择。

2.2.1    功率元器件的选择

    1)NTC热敏电阻(R4

    R4在系统启动期间用以限制浪涌电流,在稳态下被STIL短路。R4可用式(1)计算,即

    R4=(1)

    对于220V的AC额定输入电压,由于Ipeak=30A,则R4=10Ω。

    2)STIL器件

    由于PFC升压变换器能在AC线路输入端产生一个正弦波电流,故最大输出平均电流可由式(2)确定,即

    Iout(AV)(max)=(2)

    将Pout(max)=85W,η=0.8和Vin(RMS)(min)=85V代入式(2),得Iout(AV)(max)=0.91A。由于STIL02的平均输出电流为2A,故可选用STIL02作为浪涌电流限制器。

    3)桥式整流二极管

    PFC进入稳压工作后,桥式整流器中只有底部的2只二极管工作。通过二极管的最大平均电流与流过STIL02的最大输出电流(0.91A)相同。整流二极管的平均电流必须高于Iout(AV)(max),考虑到留有足够的余量,可选用正向电流为4A的整流二极管。

    PFC升压变换器必须符合IEC61000-4-5电磁兼容(EMC)标准。当在AC线路输入电压上施加一个2kV的浪涌瞬时电压时,施加到桥式二极管上的快速瞬态过电压(FTO)达694V。因此,整流二极管的重复峰值反向电压应当高于该数值,可选择800V。

    4)输入保险丝(Fu)

    在稳压条件下,通过保险丝的最大电流发生于最低AC线路电压下。其数值为:I=(Pout(max)/η)/Vin(RMS)(min)=(85W/0.8)/85V=1.25A。仅在电流过载期间,保险丝才会熔断。在浪涌期间,所承受的电流由标准(300A/8/20μs)确定。则选择保险丝的额定电流可为6.3A。

2.2.2    STIL02驱动器电路元件的选择

    由L6561控制的有源PFC预调节器工作在临界模式。升压电感器数值L=850μH,在采用THOMSON-CSF B1ET2910A(ETD29mm×16mm×10mm)或OREGA 473201A8磁芯(气隙长度为1.25mm)时,初级线圈绕组(采用10×0.2mm绞合线)N1=90T。

    1)辅助绕组匝数N2的确定

    升压电感器辅助绕组匝数N2可利用式(3)来计算,即

    N2=(3)

式中:k=5,用作减小电容器C3两端的纹波电压;

      Vout=400V,Vpt(max)=VDC(pt1)(max)=1V,二极管D1的正向压降VD1=VD2=0.7V。

    根据式(3),N2=2.62T,选择N2=3T。

    2)计算电容C1C2的容值

    PFC升压变换器在通用的AC 85~265V输入电压下工作,电容C1C2的容值由式(4)确定,即

    C1=C2>=(4)

式中:(Ipt1(max)Ipt2(max))=20mA;

      85V为最低AC线路电压峰值。

    将相关数据代入式(4),得C1=C2=210nF。考虑到±20%的离差,可选择C1=C2=330nF。

    3)计算电阻R3的数值

    PFC升压变换器在临界模式下操作,开关频率不是固定的,而是变化的。R3的阻值选择应保证在最高开关频率(350kHz)时充分充电,所以,R3的电阻值应尽量小一些。在AC线路电压过零附近,开关频率最高。R3的选择可由式(5)确定,即

    R3<=(5)

    将C1=330nF和fs(max)=350kHz代入式(5)得R3=0.29Ω,选择R3=0.33Ω的标准电阻。

    4)R1R2的选择

    R1R2用作平衡STIL02两个单向开关的引导控制电流。R1R2不应超过式(6)确定数值,即

    R1=R2(6)

    将已知数据代入式(6)得R1=R2=854Ω,选择R1=R2=820Ω。

    5)电容器C3的选择

    当PFC电路在AC线路电压接近零时大约1ms的时间内不工作时,要求C3仍能为STIL02提供足够的能量,则C3应不低于式(7)确定的容值,即

    C3(7)

式中:死区时间tdead=1ms。

    根据式(7)计算的结果,C3≥8.2μF。

    当AC线路电压过低持续时间tbrownout结束之前,为激活浪涌电流限制功能,STIL02中的开关应当断开。这就要求C3容值应不超过式(8)确定的数值,即

    C3(8)

    通常选择tbrownout=20ns。由于R1=820Ω,C1=220nF,因此C3≤16μF。

    根据式(7)和式(8)计算的结果,可以选择C3=10μF,便可以满足tdeadtbrownout两个条件。

    6)二极管D1和D2的选择

    二极管D1和D2通过的电流都较小,所施加的反向电压也不高,选择BA149足可以满足要求。

3    结语

    基于半可控整流桥(HCRB)拓扑结构的STIL器件,与NTC热敏元件等组成浪涌电流限制电路(ICLC)具有诸多优点。事实上,STIL中的单向开关,是采用专门ASDTM工艺集成的高性能SCR,在其控制极电流(Igt)、dv/dt和反向漏电流(Ik)三个参数之间实现了较理想的折衷。这种单向开关的反向功耗是传统HCRB电路中使用的分立非灵敏SCR(触发电流为几个mA)反向功耗(约900mW)的1/100,抗瞬态电压冲击能力(dv/dt)比灵敏SCR(触发电流为几十μA,dv/dt仅约10V/μs)高50~100倍。与独立使用NTC热敏电阻比较,功率损耗大大地降低。当STIL用于80W变换器时,效率比单独使用NTC热敏电阻约提高1.5%。

 


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