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浪涌電流限制器STIL02在臨界模式PFC升壓變換器中的應(yīng)用
摘要：以半可控整流器橋路(HCRB)為基礎(chǔ)的STIL02浪涌電流限制器克服了NTC熱敏電阻在熱態(tài)重啟時(shí)浪涌限流功能變差以及熱態(tài)功耗較大的缺點(diǎn)，因而是一款優(yōu)質(zhì)高效的新型浪涌電流限制器。文中介紹了STIL02臨界模式ＰＦＣ升壓預(yù)調(diào)整器中的應(yīng)用，同時(shí)給出了其應(yīng)用電路。在脫線變換器啟動(dòng)期間，因?qū)Υ笕萘侩娙萜鞒潆姇?huì)產(chǎn)生一個(gè)大電流。這個(gè)大電流比系統(tǒng)正常電流大幾倍乃至幾十倍(即所謂浪涌電流)，而這可能使ＡＣ線路的電壓降落，從而影響連接在同一ＡＣ線路上的所有設(shè)備的運(yùn)行，有時(shí)會(huì)燒斷保險(xiǎn)絲和整流二極管等元件。因此，必須對(duì)其加以限制。
限制浪涌電流的最簡(jiǎn)單方法是在系統(tǒng)ＡＣ線路輸入端串聯(lián)一只ＮＴＣ熱敏電阻。由于在冷啟動(dòng)時(shí)，ＮＴＣ熱敏電阻呈現(xiàn)高阻抗，因而將使涌入電流得到限制。而當(dāng)電流的熱效應(yīng)使ＮＴＣ熱敏元件的溫度升高，ＮＴＣ阻值急劇下降時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的電流限制作用會(huì)較小。同時(shí)，由于ＮＴＣ熱敏電阻在熱態(tài)下的阻抗并不是零，故會(huì)產(chǎn)生功率損耗，從而影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率。還有一個(gè)問(wèn)題是ＮＴＣ熱敏電阻在熱態(tài)下重新啟動(dòng)時(shí)，對(duì)浪涌電流起不到限制作用。為此，可在系統(tǒng)啟動(dòng)之后，利用ＳＣＲ等元件將ＮＴＣ熱敏元件短路。
１ 基于ＨＣＲＢ的電流限制器ＳＴＩＬ０２
在傳統(tǒng)浪涌電流限制電路中，ＨＣＲＢ被認(rèn)為是較為先進(jìn)的一種電路，其基本結(jié)構(gòu)如圖１所示。ＨＣＲＢ電路是在橋式整流器上部二極管Ｄ１、Ｄ２和限流電阻(Ｒｉｎｒｕｓｈ)之間并接兩個(gè)ＳＣＲＳ(ＳＣＲ１和ＣＳＲ２)，以組成ＳＣＲ／二極管混合橋路，從而在系統(tǒng)(ＰＦＣ升壓預(yù)變換器)啟動(dòng)期間使浪涌電流通過(guò)Ｄ１、Ｄ２和Ｒｉｎｒｕｓｈ并被Ｒｉｎｒｕｓｈ(ＮＴＣ)限制。當(dāng)大容量電容器完全充電后，ＡＣ電流通過(guò)觸發(fā)的ＳＣＲ１、ＳＣＲ２和Ｄ３、Ｄ４整流而將Ｄ１、Ｄ２和Ｒｉｎｒｕｓｈ短路。
基于ＨＣＲＢ電路，ＳＴ公司利用專門的ＡＳＤＴＭ工藝研制出新型浪涌電流限制器件ＳＴＩＬ０２。該器件內(nèi)置兩個(gè)非靈敏單向開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)器電路，如圖２所示。這種采用５引腳小型單列直插式(ＰＥＮＴＡＷＡＴＴ ＨＶ２)封裝的器件，在使用時(shí)可將腳Ｌ(１)連接到ＡＣ線路的火線上，腳Ｎ(５)連接ＡＣ線路的地線上。而它的其余３個(gè)引腳中，ＯＵＴ(３)為輸出端，ＰＴ１(２)和ＰＴ２(４)為觸發(fā)輸入端。
ＳＴＩＬ０２的重復(fù)正向和反向截止電壓達(dá)７００Ｖ，輸出平均電流Ｉｏｕｔ(ＡＶ)為２Ａ，具有ｄＶ／ｄｔ＞５００Ｖ／μｓ的高抗擾性能和較小的功率損耗。
與ＨＣＲＢ電路比較，ＳＴＩＬ０２解決了功率損耗與抗擾性之間的矛盾。眾所周知：ＳＣＲ分為靈敏和非靈敏兩類。如果ＨＣＲＢ中ＳＣＲ采用靈敏型器件(觸發(fā)電流小于１００μＡ)，盡管其反向漏電流和反向損耗都很小，但實(shí)際上還是不可行。原因是其抗擾性太差，ｄＶ／ｄｔ僅約１０Ｖ／μｓ(加進(jìn)阻尼電路也只有約１００Ｖ／μｓ)，而系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)在前端產(chǎn)生的窄振蕩脈沖電壓上升速率ｄＶ／ｄｔ通常將近３００Ｖ／μｓ。如果ＨＣＲＢ中的ＳＣＲ采用非靈敏器件(觸發(fā)電流為幾個(gè)ｍＡ)，雖然ｄＶ／ｄｔ可達(dá)２００Ｖ／μｓ(附加阻尼電路將近４００Ｖ／μｓ)，但其反向漏電流和反向損耗比靈敏型ＳＣＲ約高１００倍。而ＳＴＩＬ０２的功率損耗與靈敏ＳＣＲ相同，但抗擾性是所有類型的ＳＣＲ都不能比擬的(其ｄＶ／ｄｔ可達(dá)１０００Ｖ／μｓ以上)。
２ 應(yīng)用電路及工作原理
ＳＩＴＬ０２應(yīng)用在ＰＦＣ升壓變換器前端的連接電路如圖３所示。當(dāng)該電路在室溫下冷啟動(dòng)時(shí)，ＳＴＩＬ０２中的兩個(gè)單向開(kāi)關(guān)是斷開(kāi)的，浪涌電流通過(guò)橋式整流二極管和涌入電流限制電阻Ｒ４(ＮＴＣ)對(duì)ＰＦＣ輸出電容Ｃ７充電。一旦ＰＦＣ變換器導(dǎo)通，那么由升壓電感器的次級(jí)繞組(ｎ２)、二極管Ｄ１和Ｄ２、電阻Ｒ３及電容Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３組成的輔助電源(實(shí)際上作為ＳＴＩＬ０２的驅(qū)動(dòng)電路使用)將會(huì)提供足夠的能量，以驅(qū)動(dòng)ＳＴＩＬ０２的兩個(gè)開(kāi)關(guān)以使其導(dǎo)通，從而使ＡＣ電流通過(guò)兩個(gè)開(kāi)關(guān)和橋式整流器下的兩只二極管整流。
如果ＡＣ線路脫落，輸入電流突然消失，電容器Ｃ３不再充電，其電壓降低。一旦ＳＴＩＬ０２腳ＰＴ１和ＰＴ２上的輸入驅(qū)動(dòng)電流低于觸發(fā)電流門限電平，內(nèi)部?jī)蓚�(gè)單向開(kāi)關(guān)就會(huì)斷開(kāi)。而當(dāng)ＡＣ線路恢復(fù)輸入時(shí)，對(duì)Ｃ３充電的涌入電流將通過(guò)Ｒ４(ＮＴＣ)被限制。
圖2和圖3
３ 設(shè)計(jì)舉例
設(shè)ＰＦＣ升壓變換器工作在臨界模式(Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｍｏｄｅ)且技術(shù)要求如下：
●最大輸出功率Ｐｏｕｔ(ｍａｘ)為８５Ｗ；
●輸入ＡＣ電壓為８５～２６４Ｖｒｍｓ(５０／６０Ｈｚ)；
●經(jīng)調(diào)節(jié)的ＤＣ輸出電壓Ｖｏｕｔ為４００Ｖ；
●峰值涌入電流Ｉｐｅａｋ小于３０Ａ(＠Ｔａ＝２５℃)；
●系統(tǒng)效率η為８０％；
●最大開(kāi)關(guān)頻率ｆｓ(ｍａｘ)為３６５ｋＨｚ。
根據(jù)上述條件，可選擇Ｌ６５６１為ＰＦＣ控制器。
３．１ 主要功率元件的選擇
ＳＴ公司生產(chǎn)的浪涌電流限制器件除ＳＴＩＬ０２外，還有ＳＴＩＬ０４。其中ＳＴＩＬ０２的平均輸出電流為２Ａ，ＳＴＩＬ０４則為４Ａ。在ＰＦＣ升壓變換器中，可以認(rèn)為橋式整流器的輸入電流為正弦電流，故通過(guò)浪涌電流限制器件的平均電流為：
因此，對(duì)于本設(shè)計(jì)，可選用ＳＴＩＬ０２來(lái)進(jìn)行浪涌電流限制。
在系統(tǒng)啟動(dòng)之后的穩(wěn)態(tài)條件下，由于Ｒ４被ＳＴＩＬ０２短路，故Ｒ４的溫度不會(huì)升高。然而，環(huán)境溫度應(yīng)盡可能低一些，才能保持Ｒ４有足夠高的等效阻值以限制浪涌電流。由于在冷啟動(dòng)時(shí)要求通過(guò)Ｒ４的峰值電流為３０Ａ，Ｒ４的阻值可選１０Ω。
在穩(wěn)態(tài)條件下，橋式整流器上部的兩只二極管將被ＳＴＩＬ０２的兩個(gè)開(kāi)關(guān)短路，因此，僅有下部的兩只二極管工作。同時(shí)，由于通過(guò)二極管的平均電流與ＳＴＩＬ０２相同(１．１２Ａ)，因此，可選平均電流高于１．１２Ａ的二極管，推薦采用４Ａ／８００Ｖ的全橋整流器。
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