利用 IXYS 數(shù)字電源控制器解決行業(yè)浪涌電流問題

出處：維庫電子市場網(wǎng) 發(fā)布于：2024-08-06 16:48:52 | 168 次閱讀

　　浪涌電流會對電源設(shè)備造成問題，并導(dǎo)致這些設(shè)備對電源線和斷路器的干擾。它還會影響電力系統(tǒng)的可靠性，因為上電時初始電流瞬時但巨大的浪涌會造成過應(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 電阻器來衰減浪涌電流。我們在本文中描述的方法有兩個目標(biāo)：首先，說明數(shù)字控制的優(yōu)勢，它克服了現(xiàn)有技術(shù)的許多缺點；其次，提高人們對高功率轉(zhuǎn)換器數(shù)字控制的興趣，促進其下一代的發(fā)展。
　　人們對數(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，可以限制大功率轉(zhuǎn)換器的浪涌電流，因此發(fā)起了這項設(shè)計。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，展示了一種獨特的方法，即通過在每個半正弦波周期將電容器預(yù)充電電流限制為預(yù)定值，來控制大功率 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載保護和“電源良好”狀態(tài)信號。它不受斷電、電壓過低和環(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 3A。整個操作過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)時間相關(guān)的脈沖序列充電。脈沖的設(shè)計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)及其相對于整流正弦波的時序位置的函數(shù)。
　　我們可以考慮 N 個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 個段，增量為 1/N，如圖 2 所示。在周期 1 期間，Sw1 從時間戳 t1 到 T 處于開啟狀態(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。充電電流不會立即上升，因為它是串聯(lián) LC 諧振電路中的電流。這會將電流波形整形為諧振波形。電流會一直上升，直到電容器電壓達到輸入電壓（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)字浪涌控制時序

　　圖 2：數(shù)字浪涌控制時序
　　然后電流繼續(xù)其諧振行為，因為 Sw1 仍在導(dǎo)通。由于輸入電壓降至電容器上的電壓以下，因此不會發(fā)生進一步的振蕩，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 類似的過程中由另一個電壓增量 1/N 預(yù)充電。電容器 C 在 N 個周期內(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變量是 LC 時間常數(shù)。電容 C 值取決于所需的紋波值。選擇電容 C 值后，設(shè)計人員可以通過增加電感 L 來降低峰值浪涌電流。如果 L 值存在物理限制，則應(yīng)使用周期數(shù) N 來設(shè)置所需的峰值電流。
　　應(yīng)為每個有效周期定義開關(guān) Sw1 的開啟時間。對于圖 2 中的周期 1，從過零點（圖 2 中的點 0）到開始開啟 Sw1 的延遲 t1 表示為 T_off。t1 和 T 之間的時間，即保持 Sw1 開啟的有效時間表示為 T_on，周期或周期持續(xù)時間表示為 T。

　　每次發(fā)生 i 的活動時間 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 在初始化時測量。T_on 的值由 (1) 確定并存儲在內(nèi)存中。T_off 的值由固件根據(jù)以下表達式得出：
　　\large T_{關(guān)}=T-T_{開}

　　圖 3 概念性地說明了算法在 MCU Z8F3281 中執(zhí)行時的行為。定時計數(shù)器（紅線）對應(yīng)于內(nèi)部時鐘提供的離散時間基的任何給定時刻的時間。計數(shù)器首先計數(shù)到綠線表示的 T_off 值。當(dāng)計數(shù)器達到 T_off 值時，它會啟動 T_on 脈沖（黃線），該脈沖會根據(jù)計數(shù)器達到的 T_on 值（洋紅色線）繼續(xù)。藍線（整流電源線電壓）供參考。洋紅色表示每個周期的實際 T_on 時間值（以 ?s 為單位），黃色表示相對于整流電源線電壓的 T_on 脈沖位置。

　　T_on 定時生成的圖示。圖例：藍色 - 整流電源線電壓，紅色 - 全周期定時計數(shù)器，黑色 - 驅(qū)動器至 Sw1，綠色 - 時間 OFF 至 Sw1，洋紅色 - 時間 ON 至 Sw1。
　　圖 3：T_on 時序生成示意圖。圖例：藍色 - 整流電源線電壓，紅色 - 全周期定時計數(shù)器，黑色 - 驅(qū)動器至 Sw1，綠色 - 時間 OFF 至 Sw1，洋紅色 - 時間 ON 至 Sw1。
　　圖 4 描繪了電容器 C 電流（綠線）相對于 T_on 脈沖的時序位置和幅度。需要注意的是，Inrush Controller 在一個周期內(nèi)生成單個電流脈沖。因為在電容器 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，然后開關(guān) Sw1 在周期結(jié)束時關(guān)閉（不導(dǎo)通）。該算法基于無功功率傳輸，因此，損耗主要限于應(yīng)變電阻上的損耗。
　　開關(guān) Sw2 是可選的。它在本設(shè)計中用于在電容器完全充電后連接負(fù)載，以及添加過載保護功能。電容器預(yù)充電后，Sw2 在下一個周期的零交叉處激活。在圖 4 中的模擬中，它發(fā)生在時間戳 0.066ms 處，此時電容器電流顯示為負(fù)，因為電流來自電容器。Sw2 激活可以根據(jù)客戶要求編程到任何其他時間戳點。
　　此外，MCU 還會生成 Power Good 信號，該信號可以相對于 Sw2 開啟狀態(tài)延遲，以便在執(zhí)行其他功能之前讓負(fù)載穩(wěn)定下來。過載閾值也是可編程的，在當(dāng)前設(shè)計中設(shè)置為 3.5A。
　　過載保護
　　過載保護是一項寶貴的功能，可在過載或持續(xù)過載時保護設(shè)備免遭損壞。如果比較器檢測到過載，則 MCU 通過關(guān)閉 Sw2 斷開負(fù)載并關(guān)閉 Sw1。過載保護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)備重新啟動預(yù)定次數(shù)。

　　電容器 C 預(yù)充電。圖例：藍色 – 整流電源線電壓，紅色 – 電容器 C 相對于公共接地的電壓，黑色 – 驅(qū)動信號至 Sw1，綠色 – 電容器電流。（未按比例）

　　圖 4：電容器 C 預(yù)充電。圖例：藍色 - 整流電源線電壓，紅色 - 電容器 C 相對于公共接地的電壓，黑色 - 驅(qū)動信號至 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 MCU 模塊和一個主電源板組成。圖 6 中包含了詳細的電路原理圖。MCU 模塊作為附加設(shè)備實現(xiàn)。該模塊包括用于 MCU 編程的連接器。在為整個系統(tǒng)供電之前，應(yīng)先對 MCU 進行編程。MCU 模塊由輔助電源 +3.3V（用于 MCU）和 12V（用于柵極驅(qū)動器）供電，這些電源施加到主電源板上的連接器 J4。

　?。╝）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 模塊詳細原理圖

　　主電源板詳細原理圖

　　圖 6：詳細原理圖（a）MCU 模塊和（b）主電源板
　　測試數(shù)字浪涌控制器
　　設(shè)計的性能已通過多項臺架測試驗證。圖 7 顯示了測試結(jié)果的示波器快照。測試證實，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零半波處（見圖 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)，藍色 - Sw1 驅(qū)動信號。

　　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)，藍色 - Sw1 驅(qū)動信號。
　　圖 7 顯示了器件輸入端的 Sw1 柵極驅(qū)動脈沖（藍線）和整流電壓（洋紅色線）。由于測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)驗證，系統(tǒng)在滿載或正常運行時可提供 2.5A 輸出電流。浪涌電流限制為 10A。
　　測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。測試的電源線頻率范圍為 50 Hz 和 60 Hz。針對每種電源線頻率開發(fā)了專用的控制脈沖序列。要施加更高的電源線電壓，實施時需要更長的控制脈沖序列。例如，將交流線電壓從 110V 增加到 220V 需要比 110V 兩倍的預(yù)充電時間才能獲得相同的峰值浪涌電流。
　　過載保護基于對大容量電容器動態(tài)電流的持續(xù)監(jiān)控，在過載情況下，電容器 C 的電流會立即增加，MCU 內(nèi)的比較器會啟動系統(tǒng)過載模式。過載電流閾值、過載實例數(shù)和過載事件之間的周期都是可編程的。通過測試過載情況，系統(tǒng)響應(yīng)已成功驗證。負(fù)載已增加到 3.5A 的輸出電流，從而觸發(fā)過載保護。系統(tǒng)還經(jīng)過連續(xù)過載測試，導(dǎo)致多次嘗試重新啟動系統(tǒng)并立即中斷。在過載情況下不存在電源良好狀態(tài)。此過載保護對電源中斷、電壓降低和溫度變化不敏感。

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