基于新型器件STIL的浪涌电流限制电路（ICLC）设计

sysop · 发表于 2007-9-27 08:33:56

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基于新型器件STIL的浪涌电流限制电路（ICLC）设计 毛兴武 (山东临沂电子研究所，山东    临沂    276004） 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。 关键词：浪涌电流限制器；驱动电路；设计 　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<a href="http://www.emchome.net/">浪涌限制</a>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     <a href="http://www.emchome.net/">浪涌电流</a>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。 <img height="180" src="http://www.china-power.net/psta/dzkw/412/tu/mxw1.bmp" width="361" border="0" /> 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<a href="http://www.emchome.net/">电源变压器</a>（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C1和C2及C3、电阻R1与R2等，组成PFC升压变换器的浪涌电流限制电路（ICLC）。 <img height="440" src="http://www.china-power.net/psta/dzkw/412/tu/mxw2.bmp" width="617" border="0" />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

out(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；     <a>峰值浪涌电流</a>    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=<img height="27" src="http://www.china-power.net/psta/dzkw/412/IMAGE/11300049.JPG" width="37" />（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)=<img height="27" src="http://www.china-power.net/psta/dzkw/412/IMAGE/11300050.JPG" width="71" />（2）     将

out(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<a>浪涌电流限制</a>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=(

out(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<a href="http://www.emcgarden.net/">浪涌</a>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=<img height="24" src="http://www.china-power.net/psta/dzkw/412/IMAGE/11300051.JPG" width="127" />（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C1和C2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C1和C2的容值由式（4）确定，即     C1=C2>=<img height="37" src="http://www.china-power.net/psta/dzkw/412/IMAGE/11300052.JPG" width="154" />

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