浪涌电流限制器STIL02在临界模式PFC升压变换器中的应用

关键词：浪涌电流；限流器件；STIL02；PFC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。

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，其基本结构如图１所示。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，如图２所示。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如图３所示。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。

图2和图3

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。对于图３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。