利用 IXYS 數(shù)字電源控制器解決行業(yè)浪涌電流問(wèn)題

出處：維庫(kù)電子市場(chǎng)網(wǎng) 發(fā)布于：2024-08-06 16:48:52 | 176 次閱讀

　　浪涌電流會(huì)對(duì)電源設(shè)備造成問(wèn)題，并導(dǎo)致這些設(shè)備對(duì)電源線和斷路器的干擾。它還會(huì)影響電力系統(tǒng)的可靠性，因?yàn)樯想姇r(shí)初始電流瞬時(shí)但巨大的浪涌會(huì)造成過(guò)應(yīng)力。已知的限制交流-直流設(shè)備浪涌電流的解決方案 [1]，[2] 需要有損耗的元件，如電阻器或帶有繼電器分流器晶體管的傳統(tǒng) NTC 電阻器來(lái)衰減浪涌電流。我們?cè)诒疚闹忻枋龅姆椒ㄓ袃蓚€(gè)目標(biāo)：首先，說(shuō)明數(shù)字控制的優(yōu)勢(shì)，它克服了現(xiàn)有技術(shù)的許多缺點(diǎn)；其次，提高人們對(duì)高功率轉(zhuǎn)換器數(shù)字控制的興趣，促進(jìn)其下一代的發(fā)展。
　　人們對(duì)數(shù)字控制的興趣日益濃厚，數(shù)字控制克服了現(xiàn)有技術(shù)的許多缺點(diǎn)，可以限制大功率轉(zhuǎn)換器的浪涌電流，因此發(fā)起了這項(xiàng)設(shè)計(jì)。它將 IXYS 數(shù)字電源控制技術(shù)與 Zilog 的 8 位 Z8F3281 MCU 功能相結(jié)合，展示了一種獨(dú)特的方法，即通過(guò)在每個(gè)半正弦波周期將電容器預(yù)充電電流限制為預(yù)定值，來(lái)控制大功率 AC-DC 整流器和帶電容負(fù)載的 AC-DC 轉(zhuǎn)換器中的浪涌電流。電容器充電分布在多個(gè)周期內(nèi)，直到電容器充電到與交流電壓源的峰值成比例。
　　IXYS 數(shù)字浪涌電流控制器具有可編程過(guò)載保護(hù)和“電源良好”狀態(tài)信號(hào)。它不受斷電、電壓過(guò)低和環(huán)境溫度變化的影響。它可以在 80V 至 240V AC 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，負(fù)載電流高達(dá) 3A。整個(gè)操作過(guò)程和基本值都是完全可編程的?？刂破骺梢跃幊虨?50 Hz、60 Hz 或任何其他線路輸入頻率操作。

　　時(shí)間相關(guān)脈沖序列

　　圖 1 給出了電路原理圖，其中的關(guān)鍵概念是以相等的增量向大容量電容器提供電荷。電容器根據(jù)時(shí)間相關(guān)的脈沖序列充電。脈沖的設(shè)計(jì)方式是向電容器提供基本相等的電壓增量，以使充電電流的峰值在每個(gè)周期保持大約相同的值。周期數(shù)取決于電容器值和充電電流。對(duì)于給定的電容器值（根據(jù)所需的紋波幅度選擇），充電電流是脈沖數(shù)及其相對(duì)于整流正弦波的時(shí)序位置的函數(shù)。
　　我們可以考慮 N 個(gè)周期的浪涌控制操作，然后將半整流正弦波的歸一化振幅分割為 N 個(gè)段，增量為 1/N，如圖 2 所示。在周期 1 期間，Sw1 從時(shí)間戳 t1 到 T 處于開(kāi)啟狀態(tài)（導(dǎo)通），從而使電容器 C 充電至與歸一化值 1/N 成比例的電壓。充電電流不會(huì)立即上升，因?yàn)樗谴?lián) LC 諧振電路中的電流。這會(huì)將電流波形整形為諧振波形。電流會(huì)一直上升，直到電容器電壓達(dá)到輸入電壓（不包括電壓降）。

　　數(shù)字浪涌控制器的電路原理圖

　　圖 1：數(shù)字浪涌控制器的電路原理圖

　　數(shù)字浪涌控制時(shí)序

　　圖 2：數(shù)字浪涌控制時(shí)序
　　然后電流繼續(xù)其諧振行為，因?yàn)?Sw1 仍在導(dǎo)通。由于輸入電壓降至電容器上的電壓以下，因此不會(huì)發(fā)生進(jìn)一步的振蕩，然后 Sw1 關(guān)閉（不導(dǎo)通）。電容器保持預(yù)充電至與 1/N 成比例的電壓。在周期 2 中，電容器 C 在與周期 1 類似的過(guò)程中由另一個(gè)電壓增量 1/N 預(yù)充電。電容器 C 在 N 個(gè)周期內(nèi)充電至與輸入線電壓成比例的電壓值。
　　工作原理
　　控制浪涌電流的另一個(gè)變量是 LC 時(shí)間常數(shù)。電容 C 值取決于所需的紋波值。選擇電容 C 值后，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)增加電感 L 來(lái)降低峰值浪涌電流。如果 L 值存在物理限制，則應(yīng)使用周期數(shù) N 來(lái)設(shè)置所需的峰值電流。
　　應(yīng)為每個(gè)有效周期定義開(kāi)關(guān) Sw1 的開(kāi)啟時(shí)間。對(duì)于圖 2 中的周期 1，從過(guò)零點(diǎn)（圖 2 中的點(diǎn) 0）到開(kāi)始開(kāi)啟 Sw1 的延遲 t1 表示為 T_off。t1 和 T 之間的時(shí)間，即保持 Sw1 開(kāi)啟的有效時(shí)間表示為 T_on，周期或周期持續(xù)時(shí)間表示為 T。

　　每次發(fā)生 i 的活動(dòng)時(shí)間 T_on 定義為幾何變換：

　　\large T_{on(i)} = \frac{T}{\pi \ 2} \ a \cdot sin \left ( \frac{i}{N} \right )
　　周期 T 由 MCU 在初始化時(shí)測(cè)量。T_on 的值由 (1) 確定并存儲(chǔ)在內(nèi)存中。T_off 的值由固件根據(jù)以下表達(dá)式得出：
　　\large T_{關(guān)}=T-T_{開(kāi)}

　　圖 3 概念性地說(shuō)明了算法在 MCU Z8F3281 中執(zhí)行時(shí)的行為。定時(shí)計(jì)數(shù)器（紅線）對(duì)應(yīng)于內(nèi)部時(shí)鐘提供的離散時(shí)間基的任何給定時(shí)刻的時(shí)間。計(jì)數(shù)器首先計(jì)數(shù)到綠線表示的 T_off 值。當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到 T_off 值時(shí)，它會(huì)啟動(dòng) T_on 脈沖（黃線），該脈沖會(huì)根據(jù)計(jì)數(shù)器達(dá)到的 T_on 值（洋紅色線）繼續(xù)。藍(lán)線（整流電源線電壓）供參考。洋紅色表示每個(gè)周期的實(shí)際 T_on 時(shí)間值（以 ?s 為單位），黃色表示相對(duì)于整流電源線電壓的 T_on 脈沖位置。

　　T_on 定時(shí)生成的圖示。圖例：藍(lán)色 - 整流電源線電壓，紅色 - 全周期定時(shí)計(jì)數(shù)器，黑色 - 驅(qū)動(dòng)器至 Sw1，綠色 - 時(shí)間 OFF 至 Sw1，洋紅色 - 時(shí)間 ON 至 Sw1。
　　圖 3：T_on 時(shí)序生成示意圖。圖例：藍(lán)色 - 整流電源線電壓，紅色 - 全周期定時(shí)計(jì)數(shù)器，黑色 - 驅(qū)動(dòng)器至 Sw1，綠色 - 時(shí)間 OFF 至 Sw1，洋紅色 - 時(shí)間 ON 至 Sw1。
　　圖 4 描繪了電容器 C 電流（綠線）相對(duì)于 T_on 脈沖的時(shí)序位置和幅度。需要注意的是，Inrush Controller 在一個(gè)周期內(nèi)生成單個(gè)電流脈沖。因?yàn)樵陔娙萜?C 充電完成后，輸入電壓降至電容器電壓以下，并且輸入電源線通過(guò)二極管橋式電路與電路的其余部分隔離。電感器放電到電容器 C，然后開(kāi)關(guān) Sw1 在周期結(jié)束時(shí)關(guān)閉（不導(dǎo)通）。該算法基于無(wú)功功率傳輸，因此，損耗主要限于應(yīng)變電阻上的損耗。
　　開(kāi)關(guān) Sw2 是可選的。它在本設(shè)計(jì)中用于在電容器完全充電后連接負(fù)載，以及添加過(guò)載保護(hù)功能。電容器預(yù)充電后，Sw2 在下一個(gè)周期的零交叉處激活。在圖 4 中的模擬中，它發(fā)生在時(shí)間戳 0.066ms 處，此時(shí)電容器電流顯示為負(fù)，因?yàn)殡娏鱽?lái)自電容器。Sw2 激活可以根據(jù)客戶要求編程到任何其他時(shí)間戳點(diǎn)。
　　此外，MCU 還會(huì)生成 Power Good 信號(hào)，該信號(hào)可以相對(duì)于 Sw2 開(kāi)啟狀態(tài)延遲，以便在執(zhí)行其他功能之前讓負(fù)載穩(wěn)定下來(lái)。過(guò)載閾值也是可編程的，在當(dāng)前設(shè)計(jì)中設(shè)置為 3.5A。
　　過(guò)載保護(hù)
　　過(guò)載保護(hù)是一項(xiàng)寶貴的功能，可在過(guò)載或持續(xù)過(guò)載時(shí)保護(hù)設(shè)備免遭損壞。如果比較器檢測(cè)到過(guò)載，則 MCU 通過(guò)關(guān)閉 Sw2 斷開(kāi)負(fù)載并關(guān)閉 Sw1。過(guò)載保護(hù)可以編程為兩種操作模式：(i) 立即關(guān)閉設(shè)備并等待用戶干預(yù)和 (ii) 允許設(shè)備重新啟動(dòng)預(yù)定次數(shù)。

　　電容器 C 預(yù)充電。圖例：藍(lán)色 – 整流電源線電壓，紅色 – 電容器 C 相對(duì)于公共接地的電壓，黑色 – 驅(qū)動(dòng)信號(hào)至 Sw1，綠色 – 電容器電流。（未按比例）

　　圖 4：電容器 C 預(yù)充電。圖例：藍(lán)色 - 整流電源線電壓，紅色 - 電容器 C 相對(duì)于公共接地的電壓，黑色 - 驅(qū)動(dòng)信號(hào)至 Sw1，綠色 - 電容器電流。（未按比例繪制）
　　初始預(yù)充電和連接負(fù)載后，MCU 可以重新配置以執(zhí)行其他電源管理任務(wù)。例如，它可以執(zhí)行功率因數(shù)校正 (PFC) 控制并跟蹤設(shè)備性能、過(guò)載情況、斷電、電源電壓下降等。根據(jù)收集的信息，MCU 能夠告知用戶設(shè)備的可靠性狀態(tài)并提供系統(tǒng)性能的統(tǒng)計(jì)信息。
　　IXYS 數(shù)字浪涌控制器

　　圖 5 (a) 和 (b) 顯示了 IXYS 數(shù)字浪涌控制器，它由一個(gè) MCU 模塊和一個(gè)主電源板組成。圖 6 中包含了詳細(xì)的電路原理圖。MCU 模塊作為附加設(shè)備實(shí)現(xiàn)。該模塊包括用于 MCU 編程的連接器。在為整個(gè)系統(tǒng)供電之前，應(yīng)先對(duì) MCU 進(jìn)行編程。MCU 模塊由輔助電源 +3.3V（用于 MCU）和 12V（用于柵極驅(qū)動(dòng)器）供電，這些電源施加到主電源板上的連接器 J4。

　　（a）MCU 模塊和（b）帶 MCU 模塊的主電源板
　　圖 5：(a) MCU 模塊和 (b) 帶 MCU 模塊的主電源板
　　主電源板是一塊雙層 PCB，帶有二極管橋、MOS-FET Q1 (Sw1) 和 Q2 (Sw2)，安裝在小型散熱器上。在 375 W 輸出功率下，這些散熱器上的功耗小于 5 W。該板可由 50 或 60 Hz 交流電源供電。
　　MCU 模塊詳細(xì)原理圖

　　主電源板詳細(xì)原理圖

　　圖 6：詳細(xì)原理圖（a）MCU 模塊和（b）主電源板
　　測(cè)試數(shù)字浪涌控制器
　　設(shè)計(jì)的性能已通過(guò)多項(xiàng)臺(tái)架測(cè)試驗(yàn)證。圖 7 顯示了測(cè)試結(jié)果的示波器快照。測(cè)試證實(shí)，浪涌電流被限制在預(yù)定義值，限制器的性能非常接近仿真結(jié)果。浪涌電流的幅度被限制為等于最大負(fù)載下的輸入電流的值，以最大限度地減少對(duì)交流線路的負(fù)面影響，并限制電磁干擾 (EMI)，方法是選擇浪涌電流脈沖數(shù)等于 16 和電感器 100 μH。交流輸入線通過(guò)隔離變壓器連接。輸出電容器完全充電后，負(fù)載連接到整流電壓過(guò)零半波處（見(jiàn)圖 7 中的紅線）。

　　數(shù)字浪涌電流控制的示波器快照。圖例：橙色 - 電源線電流 (10A/div)，青色 - 負(fù)載電壓 (50V/div)，洋紅色 - 整流輸入電壓 (50V/div)，藍(lán)色 - Sw1 驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

　　圖 7：數(shù)字浪涌電流控制的示波器快照。圖例：橙色 - 電源線電流 (10A/div)，青色 - 負(fù)載電壓 (50V/div)，洋紅色 - 整流輸入電壓 (50V/div)，藍(lán)色 - Sw1 驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
　　圖 7 顯示了器件輸入端的 Sw1 柵極驅(qū)動(dòng)脈沖（藍(lán)線）和整流電壓（洋紅色線）。由于測(cè)試期間使用的隔離變壓器的輸出功率有限，連接負(fù)載后整流電壓略有下降。橙線表示線電流，青色線表示負(fù)載電壓。經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)在滿載或正常運(yùn)行時(shí)可提供 2.5A 輸出電流。浪涌電流限制為 10A。
　　測(cè)量的浪涌控制路徑效率為 99.5%。該設(shè)備能夠在寬范圍的輸入電壓下工作：80V 至 240V。測(cè)試的電源線頻率范圍為 50 Hz 和 60 Hz。針對(duì)每種電源線頻率開(kāi)發(fā)了專用的控制脈沖序列。要施加更高的電源線電壓，實(shí)施時(shí)需要更長(zhǎng)的控制脈沖序列。例如，將交流線電壓從 110V 增加到 220V 需要比 110V 兩倍的預(yù)充電時(shí)間才能獲得相同的峰值浪涌電流。
　　過(guò)載保護(hù)基于對(duì)大容量電容器動(dòng)態(tài)電流的持續(xù)監(jiān)控，在過(guò)載情況下，電容器 C 的電流會(huì)立即增加，MCU 內(nèi)的比較器會(huì)啟動(dòng)系統(tǒng)過(guò)載模式。過(guò)載電流閾值、過(guò)載實(shí)例數(shù)和過(guò)載事件之間的周期都是可編程的。通過(guò)測(cè)試過(guò)載情況，系統(tǒng)響應(yīng)已成功驗(yàn)證。負(fù)載已增加到 3.5A 的輸出電流，從而觸發(fā)過(guò)載保護(hù)。系統(tǒng)還經(jīng)過(guò)連續(xù)過(guò)載測(cè)試，導(dǎo)致多次嘗試重新啟動(dòng)系統(tǒng)并立即中斷。在過(guò)載情況下不存在電源良好狀態(tài)。此過(guò)載保護(hù)對(duì)電源中斷、電壓降低和溫度變化不敏感。

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