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STIL02在模式PFC升压变换器中的应用

在脱线变换器启动期间,因对大容量电容器充电会产生一个大电流。这个大电流比系统正常电流大几倍乃至几十倍(即所谓浪涌电流),而这可能使AC线路的电压降落,从而影响连接在同一AC线路上的所有设备的运行,有时会烧断保险丝和整流二极管等元件。因此,必须对其加以限制。

限制浪涌电流的最简单方法是在系统AC线路输入端串联一只NTC热敏电阻。由于在冷启动时,NTC热敏电阻呈现高阻抗,因而将使涌入电流得到限制。而当电流的热效应使NTC热敏元件的温度升高,NTC阻值急剧下降时,对系统的电流限制作用会较小。同时,由于NTC热敏电阻在热态下的阻抗并不是零,故会产生功率损耗,从而影响系统的运行效率。还有一个问题是NTC热敏电阻在热态下重新启动时,对浪涌电流起不到限制作用。为此,可在系统启动之后,利用SCR等元件将NTC热敏元件短路。


摘要:
以半可控整流器桥路(HCRB)为基础的STIL02浪涌电流限制器克服了NTC热敏电阻在热态重启时浪涌限流功能变差以及热态功耗较大的缺点,因而是一款优质高效的新型浪涌电流限制器。文中介绍了STIL02临界模式PFC升压预调整器中的应用,同时给出了其应用电路。
关键词:浪涌电流;限流器件;STIL02;PFC应用



1 基于HCRB的电流限制器STIL02

在传统浪涌电流限制电路中,HCRB被认为是较为先进的一种电路。HCRB电路是在桥式整流器上部二极管D1、D2和限流电阻(Rinrush)之间并接两个SCRS(SCR1和CSR2),以组成SCR/二极管混合桥路,从而在系统(PFC升压预变换器)启动期间使浪涌电流通过D1、D2和Rinrush并被Rinrush(NTC)限制。当大容量电容器完全充电后,AC电流通过触发的SCR1、SCR2和D3、D4整流而将D1、D2和Rinrush短路。

基于HCRB电路,ST公司利用专门的ASDTM工艺研制出新型浪涌电流限制器件STIL02。该器件内置两个非灵敏单向开关和驱动器电路。这种采用5引脚小型单列直插式(PENTAWATT HV2)封装的器件,在使用时可将脚L(1)连接到AC线路的火线上,脚N(5)连接AC线路的地线上。而它的其余3个引脚中,OUT(3)为输出端,PT1(2)和PT2(4)为触发输入端。

STIL02的重复正向和反向截止电压达700V,输出平均电流Iout(AV)为2A,具有dV/dt>500V/μs的高抗扰性能和较小的功率损耗。

与HCRB电路比较,STIL02解决了功率损耗与抗扰性之间的矛盾。众所周知:SCR分为灵敏和非灵敏两类。如果HCRB中SCR采用灵敏型器件(触发电流小于100μA),尽管其反向漏电流和反向损耗都很小,但实际上还是不可行。原因是其抗扰性太差,dV/dt仅约10V/μs(加进阻尼电路也只有约100V/μs),而系统启动时在前端产生的窄振荡脉冲电压上升速率dV/dt通常将近300V/μs。如果HCRB中的SCR采用非灵敏器件(触发电流为几个mA),虽然dV/dt可达200V/μs(附加阻尼电路将近400V/μs),但其反向漏电流和反向损耗比灵敏型SCR约高100倍。而STIL02的功率损耗与灵敏SCR相同,但抗扰性是所有类型的SCR都不能比拟的(其dV/dt可达1000V/μs以上)。



2 应用电路及工作原理

SITL02应用在PFC升压变换器前端的连接电路。当该电路在室温下冷启动时,STIL02中的两个单向开关是断开的,浪涌电流通过桥式整流二极管和涌入电流限制电阻R4(NTC)对PFC输出电容C7充电。一旦PFC变换器导通,那么由升压电感器的次级绕组(n2)、二极管D1和D2、电阻R3及电容C1、C2、C3组成的辅助电源(实际上作为STIL02的驱动电路使用)将会提供足够的能量,以驱动STIL02的两个开关以使其导通,从而使AC电流通过两个开关和桥式整流器下的两只二极管整流。

如果AC线路脱落,输入电流突然消失,电容器C3不再充电,其电压降低。一旦STIL02脚PT1和PT2上的输入驱动电流低于触发电流门限电平,内部两个单向开关就会断开。而当AC线路恢复输入时,对C3充电的涌入电流将通过R4(NTC)被限制。



3 设计举例

设PFC升压变换器工作在临界模式(Critical Mode)且技术要求如下:

●最大输出功率Pout(max)为85W;

●输入AC电压为85~264Vrms(50/60Hz);

●经调节的DC输出电压Vout为400V;

●峰值涌入电流Ipeak小于30A(@Ta=25℃);

●系统效率η为80%;

●最大开关频率fs(max)为365kHz。

根据上述条件,可选择L6561为PFC控制器。

3.1 主要功率元件的选择

ST公司生产的浪涌电流限制器件除STIL02外,还有STIL04。其中STIL02的平均输出电流为2A,STIL04则为4A。在PFC升压变换器中,可以认为桥式整流器的输入电流为正弦电流,故通过浪涌电流限制器件的平均电流为:

因此,对于本设计,可选用STIL02来进行浪涌电流限制。

在系统启动之后的稳态条件下,由于R4被STIL02短路,故R4的温度不会升高。然而,环境温度应尽可能低一些,才能保持R4有足够高的等效阻值以限制浪涌电流。由于在冷启动时要求通过R4的峰值电流为30A,R4的阻值可选10Ω。

在稳态条件下,桥式整流器上部的两只二极管将被STIL02的两个开关短路,因此,仅有下部的两只二极管工作。同时,由于通过二极管的平均电流与STIL02相同(1.12A),因此,可选平均电流高于1.12A的二极管,推荐采用4A/800V的全桥整流器。

3.2 STIL02驱动电路的元件参数

STIL02驱动电路元件参数的设计主要有:升压电感器辅助绕组匝数n2的计算、以及电容和电阻的参数设计等。对于电路,根据上述设计要求,其参数设计为:C1、C2为330nF,C3为10μF,R1和R2为0.33Ω,辅助绕组匝数n2可选3匝。



4 结束语

用STIL02(或STIL04)替代传统浪涌电流限制元件或电路的主要优点如下三点:

(1)尺寸较小,器件体积比单只SCR稍大一点,由于仅有5个引脚。用其替代HCRB电路,可以省略HCRB电路中两只SCR的控制极触发电路,因此,有助于提高电源变换器功能密度。

(2)减小了功率损耗,有利于提高系统效率。采用STIL02比单独使用NTC热敏电阻的功率损耗要低(原因是系统进入正常操作时,STIL02将NTC热敏电阻短路),在85W的电源变换器中,可使效率约提高1%。与HCRB电路比较,STIL02的反向功率损耗约比HCRB中的非灵敏型SCR小100倍,从而可使85W的变换器效率提高约1.5%。

(3)抗干扰能力强,坚固耐用,可靠性高。