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浪涌電流限制器STIL02在臨界模式PFC升壓變換器中的應用
摘要：以半可控整流器橋路(HCRB)為基礎的STIL02浪涌電流限制器克服了NTC熱敏電阻在熱態重啟時浪涌限流功能變差以及熱態功耗較大的缺點，因而是一款優質高效的新型浪涌電流限制器。文中介紹了STIL02臨界模式ＰＦＣ升壓預調整器中的應用，同時給出了其應用電路。在脫線變換器啟動期間，因對大容量電容器充電會產生一個大電流。這個大電流比系統正常電流大幾倍乃至幾十倍(即所謂浪涌電流)，而這可能使ＡＣ線路的電壓降落，從而影響連接在同一ＡＣ線路上的所有設備的運行，有時會燒斷保險絲和整流二極管等元件。因此，必須對其加以限制。
限制浪涌電流的最簡單方法是在系統ＡＣ線路輸入端串聯一只ＮＴＣ熱敏電阻。由于在冷啟動時，ＮＴＣ熱敏電阻呈現高阻抗，因而將使涌入電流得到限制。而當電流的熱效應使ＮＴＣ熱敏元件的溫度升高，ＮＴＣ阻值急劇下降時，對系統的電流限制作用會較小。同時，由于ＮＴＣ熱敏電阻在熱態下的阻抗并不是零，故會產生功率損耗，從而影響系統的運行效率。還有一個問題是ＮＴＣ熱敏電阻在熱態下重新啟動時，對浪涌電流起不到限制作用。為此，可在系統啟動之后，利用ＳＣＲ等元件將ＮＴＣ熱敏元件短路。
１ 基于ＨＣＲＢ的電流限制器ＳＴＩＬ０２
在傳統浪涌電流限制電路中，ＨＣＲＢ被認為是較為先進的一種電路，其基本結構如圖１所示。ＨＣＲＢ電路是在橋式整流器上部二極管Ｄ１、Ｄ２和限流電阻(Ｒｉｎｒｕｓｈ)之間并接兩個ＳＣＲＳ(ＳＣＲ１和ＣＳＲ２)，以組成ＳＣＲ／二極管混合橋路，從而在系統(ＰＦＣ升壓預變換器)啟動期間使浪涌電流通過Ｄ１、Ｄ２和Ｒｉｎｒｕｓｈ并被Ｒｉｎｒｕｓｈ(ＮＴＣ)限制。當大容量電容器完全充電后，ＡＣ電流通過觸發的ＳＣＲ１、ＳＣＲ２和Ｄ３、Ｄ４整流而將Ｄ１、Ｄ２和Ｒｉｎｒｕｓｈ短路。
基于ＨＣＲＢ電路，ＳＴ公司利用專門的ＡＳＤＴＭ工藝研制出新型浪涌電流限制器件ＳＴＩＬ０２。該器件內置兩個非靈敏單向開關和驅動器電路，如圖２所示。這種采用５引腳小型單列直插式(ＰＥＮＴＡＷＡＴＴ ＨＶ２)封裝的器件，在使用時可將腳Ｌ(１)連接到ＡＣ線路的火線上，腳Ｎ(５)連接ＡＣ線路的地線上。而它的其余３個引腳中，ＯＵＴ(３)為輸出端，ＰＴ１(２)和ＰＴ２(４)為觸發輸入端。
ＳＴＩＬ０２的重復正向和反向截止電壓達７００Ｖ，輸出平均電流Ｉｏｕｔ(ＡＶ)為２Ａ，具有ｄＶ／ｄｔ＞５００Ｖ／μｓ的高抗擾性能和較小的功率損耗。
與ＨＣＲＢ電路比較，ＳＴＩＬ０２解決了功率損耗與抗擾性之間的矛盾。眾所周知：ＳＣＲ分為靈敏和非靈敏兩類。如果ＨＣＲＢ中ＳＣＲ采用靈敏型器件(觸發電流小于１００μＡ)，盡管其反向漏電流和反向損耗都很小，但實際上還是不可行。原因是其抗擾性太差，ｄＶ／ｄｔ僅約１０Ｖ／μｓ(加進阻尼電路也只有約１００Ｖ／μｓ)，而系統啟動時在前端產生的窄振蕩脈沖電壓上升速率ｄＶ／ｄｔ通常將近３００Ｖ／μｓ。如果ＨＣＲＢ中的ＳＣＲ采用非靈敏器件(觸發電流為幾個ｍＡ)，雖然ｄＶ／ｄｔ可達２００Ｖ／μｓ(附加阻尼電路將近４００Ｖ／μｓ)，但其反向漏電流和反向損耗比靈敏型ＳＣＲ約高１００倍。而ＳＴＩＬ０２的功率損耗與靈敏ＳＣＲ相同，但抗擾性是所有類型的ＳＣＲ都不能比擬的(其ｄＶ／ｄｔ可達１０００Ｖ／μｓ以上)。
２ 應用電路及工作原理
ＳＩＴＬ０２應用在ＰＦＣ升壓變換器前端的連接電路如圖３所示。當該電路在室溫下冷啟動時，ＳＴＩＬ０２中的兩個單向開關是斷開的，浪涌電流通過橋式整流二極管和涌入電流限制電阻Ｒ４(ＮＴＣ)對ＰＦＣ輸出電容Ｃ７充電。一旦ＰＦＣ變換器導通，那么由升壓電感器的次級繞組(ｎ２)、二極管Ｄ１和Ｄ２、電阻Ｒ３及電容Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３組成的輔助電源(實際上作為ＳＴＩＬ０２的驅動電路使用)將會提供足夠的能量，以驅動ＳＴＩＬ０２的兩個開關以使其導通，從而使ＡＣ電流通過兩個開關和橋式整流器下的兩只二極管整流。
如果ＡＣ線路脫落，輸入電流突然消失，電容器Ｃ３不再充電，其電壓降低。一旦ＳＴＩＬ０２腳ＰＴ１和ＰＴ２上的輸入驅動電流低于觸發電流門限電平，內部兩個單向開關就會斷開。而當ＡＣ線路恢復輸入時，對Ｃ３充電的涌入電流將通過Ｒ４(ＮＴＣ)被限制。
圖2和圖3
３ 設計舉例
設ＰＦＣ升壓變換器工作在臨界模式(Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｍｏｄｅ)且技術要求如下：
●最大輸出功率Ｐｏｕｔ(ｍａｘ)為８５Ｗ；
●輸入ＡＣ電壓為８５～２６４Ｖｒｍｓ(５０／６０Ｈｚ)；
●經調節的ＤＣ輸出電壓Ｖｏｕｔ為４００Ｖ；
●峰值涌入電流Ｉｐｅａｋ小于３０Ａ(＠Ｔａ＝２５℃)；
●系統效率η為８０％；
●最大開關頻率ｆｓ(ｍａｘ)為３６５ｋＨｚ。
根據上述條件，可選擇Ｌ６５６１為ＰＦＣ控制器。
３．１ 主要功率元件的選擇
ＳＴ公司生產的浪涌電流限制器件除ＳＴＩＬ０２外，還有ＳＴＩＬ０４。其中ＳＴＩＬ０２的平均輸出電流為２Ａ，ＳＴＩＬ０４則為４Ａ。在ＰＦＣ升壓變換器中，可以認為橋式整流器的輸入電流為正弦電流，故通過浪涌電流限制器件的平均電流為：
因此，對于本設計，可選用ＳＴＩＬ０２來進行浪涌電流限制。
在系統啟動之后的穩態條件下，由于Ｒ４被ＳＴＩＬ０２短路，故Ｒ４的溫度不會升高。然而，環境溫度應盡可能低一些，才能保持Ｒ４有足夠高的等效阻值以限制浪涌電流。由于在冷啟動時要求通過Ｒ４的峰值電流為３０Ａ，Ｒ４的阻值可選１０Ω。
在穩態條件下，橋式整流器上部的兩只二極管將被ＳＴＩＬ０２的兩個開關短路，因此，僅有下部的兩只二極管工作。同時，由于通過二極管的平均電流與ＳＴＩＬ０２相同(１．１２Ａ)，因此，可選平均電流高于１．１２Ａ的二極管，推薦采用４Ａ／８００Ｖ的全橋整流器。
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