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意法半导体可控硅浪涌抑制电路

大多数用电设备在电源开启的瞬间,会有一个超级大电流从电网流入用电设备。比如马达启动时,带有大电解电容的用电设备启动时,在低温条件下内阻很低的设备启动时等等。这个超级大电流我们称为浪涌电流,此电流呈脉冲状,一般持续时间为几十微妙到几十毫秒不等。浪涌电流的幅值通常是稳态下电流的20到30倍,如果不加限制,会造成电网电压跌落,电网带负载能力减弱,显示亮度闪烁,电网保护器件或电器组件(保险丝,整流桥)损坏等系统问题。为此,IEC61000-3-3电磁标准定义了可接受的最大电压波动以及可重复的最大峰值电流。 如今,随着电源模块的大规模使用,浪涌电流最主要的源头是电解电容。本篇文章将和大家探讨如何用可控硅实现浪涌电流抑制功能。

功能描述:

最常用的浪涌电流抑制电路如图1所示,电路开启时采用RLIM 限制电解电容的充电电流;当稳态时,继电器吸合短路RLIM以提高效率。目前,在中低端的UPS电路里,仍然可以见到这种电路。
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图1. 继电器+抑制电阻

这种电路控制简单,但天生的缺点也不少:

  1. 体积大,笨重。和提高功率密度的时代要求背道而驰
  2. 继电器控制线圈的功耗大。与节能环保的时代要求背道而驰
  3. 继电器的开关次数是有寿命的,对质保期是个威胁。
  4. 继电器带电动作时,会有电弧产生,在有粉尘的密闭空间, 石油化工等场所,有隐患。
  5. 继电器动作时,有噪音扰民
  6. 最关键的,继电器成本贵。

既然继电器有以上多种痛点,那我们不妨打开脑洞,思考一下该如何优化。下图将提供一些思路:

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图2.

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图3

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图4

看完以上三图,会不会觉得茅塞顿开?没错,我们可以用可控硅完美取代继电器。这是一个大进步,但是似乎还是不太完美,以上方案中,限流电阻始终存在。当电路处于待机时,该电阻依然在工作,待机功耗始终处于高水平。所以,拿掉这颗限流电阻,才可以解决根本问题。

感谢我们的数字控制技术,通过数字控制与可控硅相结合,可以将图2,图3,图4中的限流电阻移除(图4还可以同时移除D3,D4两颗二极管),通过控制可控硅的导通状况可同时实现浪涌电流抑制与待机时的高效率。要实现此目标,除了需要控制策略,还需要满足一些基本条件:

  1. 必须有串联电感L(如图2,3,4中的L)
  2. 必须有控制电路,以实现软开关的控制策略
  3. 必须有一个辅助电源,且该电源可以在电解电容充满电之前,或者说主电路动作以前,就可以给MCU供电,要不然,如何控制可控硅?

我们选取图3的电路结构,用PSPICE做仿真,看看结果如何。相关条件:

  1. 输入电压:120VAC 60HZ
  2. 电路工作在倍压模式,可控硅T2为ON的状态
  3. 电解电容C1=C2=220UF
  4. 差模电感L=100Uh
  5. 空载

T1 采用ST公司的T1235T可控硅(12A/600V),控制时序如下:

  1. T1第一次导通时,延时8.1ms导通
  2. T1每下一次导通时,延时减少0.13ms
  3. T1控制极的电流脉冲必须小于0.2ms,以避免该可控硅在下一个导通周期内意外导通

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图5

图5中,绿色的呈脉冲状的波形是流经L的电流波形图,红色的正弦波形是输入电压VAC,绿色的曲线是输出DC电压VDC的波形图。从图中可以明显看出,电解电容被缓慢充电(见VDC波形),输入浪涌峰值电流被限制在20A以内(见绿色脉冲状波形图),输入电压的幅值几乎没有任何变化,完全符合IEC61000-3-3中,关于输入电压畸变小于4%的要求。

以上方案中,可控硅的控制部分,我们可以通过脉冲变压器和光耦两种方案来实现。示意图如下:

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图6 通过光耦控制可控硅

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图7通过脉冲变压器控制可控硅

如果采用光耦来控制可控硅的导通时序,需要特别注意几组电压的关系:VDD1,GND1;VDD2,GND2。VDD1的参考点GND1 等同于HVDC,VDD2的参考点GND2是接到MCU的地,这个非常重要,请参见图8的电源示意图。

如果采用脉冲变压器,则相对成本低廉得多,但是变压器绕组的计算则相对复杂(关于此公式的推导将在其他文章专门介绍,这里不再详述)。

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图8 隔离电源的示意图

总结:

本文旨在简要说明利用可控硅的电气特性来设计更理想的浪涌抑制电路,起抛砖引玉之作用。读者可以根据实际需求来做细化,根据应用场合和成本接受程度选择合适的拓扑结构。在追求能源效率的时代下,此方案能帮助读者提升待机效率。威雅利电子有限公司有完整的设计方案和演示板可供申请,以方便用户评估和缩短开发周期,在该方案中,涉及到的产品线有:

可控硅:ST

辅助电源:ST VIPER系列

光耦:vishay

整流桥,整流二极管:vishay

MCU:ST / MICROCHIP

电解电容:黑金刚 NCC

薄膜电容:VISHAY

除以上产品线外,威雅利电子公司代理的几十条产品线中,在电源应用领域相关的零组件有:

1, MURATA的高容值贴片陶瓷电容,高压电容,安规电容,EMI滤波器

2, STM, VISHAY, MCC的稳压管,整流管,肖特基二极管,超快恢复二极管,桥堆等

3, VISHAY,STM的高压MOSFET;STM, SANKEN电源管理芯片

4, MICROCHIP,ST的微处理器,运算放大器等

5, 黑金刚电解电容

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