將浪涌電流限制和PFC 結合應用于白色家電馬達

　　NTC 存在的另一個(gè)主要問(wèn)題就是其熱堆積(thermal mass) 或時(shí)間響應。如果電源電壓暫時(shí)下降或電源電壓長(cháng)時(shí)間嚴重欠壓，而此時(shí)大容量電容器又切斷對其的有效充電，那么將會(huì )引發(fā)問(wèn)題。當線(xiàn)電壓恢復正常時(shí)，NTC 或許還未能獲得足夠的冷卻時(shí)間，這樣將使其處于低阻抗狀態(tài)。在這種情況下，由于線(xiàn)電壓的恢復而產(chǎn)生比正常情況下更高的浪涌電流，甚至比初次啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流還要高。此時(shí)，電路無(wú)任何保護措施。這種超乎尋常的大電流會(huì )損壞電路中傳動(dòng)系元件，如保險絲、焊點(diǎn)、線(xiàn)跡以及路徑中的所有元件。

　　圖3 顯示了為克服NTC 中許多惱人問(wèn)題的實(shí)施方案。這種實(shí)施方案就是既可選擇固定阻值的電阻，也可選擇NTC 作為浪涌電阻。這里所闡述的浪涌電路具有兩只額外的硅控整流器(SCR) 和一個(gè)來(lái)自PFC 升壓電感小輔助繞組的非穩壓電壓源。

　　馬達電路首次通電時(shí)，電流首先流經(jīng)橋接整流器、浪涌電阻，然后流至大容量電容器。在該電容器處，浪涌電阻對電流進(jìn)行了限制。一段時(shí)間之后（時(shí)間長(cháng)短通常取決于PFC 控制器電路），電流開(kāi)始流動(dòng)。電流流動(dòng)時(shí)，PFC 控制器開(kāi)始開(kāi)關(guān)功率MOSFET，而MOSFET 反過(guò)來(lái)啟動(dòng)升壓電感中的脈沖電流。然后，這一脈沖電流會(huì )在輔助繞組上產(chǎn)生一個(gè)浮動(dòng)非穩壓電壓，這一電壓用于觸發(fā)兩只SCR 的柵極電路。兩只SCR 以如下方式布置在電路中：提供一條電流通道，這條通道繞過(guò)橋接整流電路中的兩只整流器以及浪涌電阻。在電路中無(wú)需額外增加串聯(lián)元件的情況下，上述所選路徑即可為電流提供一條非常高效的通道。雖然SCR 的正向壓降(Vf) 比整流二極管稍大，但是固定阻值電阻或NTC 等限流組件兩端的壓降已經(jīng)消除。此外，SCR 散發(fā)的熱量可由散熱片予以消除（經(jīng)由SCR 的機架），而NTC 無(wú)法做到這一點(diǎn)。這種散熱能力可使器件在更適宜的環(huán)境下運行，從而實(shí)現更高的系統穩定性和MTBF 值。

　　必須選擇輔助繞組的匝數比，以確保產(chǎn)生足夠的電壓來(lái)觸發(fā)各種規定線(xiàn)電壓極限下SCR 的柵極電路。由于PFC 電路的開(kāi)關(guān)頻率一般比線(xiàn)路頻率高許多，所以柵極電路觸發(fā)的時(shí)間設定通常無(wú)關(guān)緊要。工作頻率僅為40 kHz 的PFC 電路將確保SCR 的零交叉開(kāi)關(guān)，使其更像橋接中的簡(jiǎn)單整流器。

　　圖3 顯示了業(yè)界首款單芯雙相交錯式PFC 預調節器——TI UCC28070 的簡(jiǎn)化原理圖。交錯雙相相互之間的相位差為180°，這樣則消除了波紋電流，從而可以使用更小的電磁干擾(EMI) 濾波器以及外觀(guān)更小巧的PFC 輸出電容器。雙相交錯式拓撲結構、體積更小的元件是嵌入式馬達驅動(dòng)電路的理想解決方案。交錯式PFC 可滿(mǎn)足非常高的功率密度要求。

　　圖3 PFC 控制器中的浪涌控制功能

　　由于功耗分散到兩個(gè)相位上，所以交錯式PFC 其他的優(yōu)點(diǎn)還包括更輕松的散熱管理。因為兩個(gè)相位的總電感容量比單級設計要小很多（請參閱圖4），所以可以使用外觀(guān)更小巧的EMI 濾波器和PFC 輸出電容器以及更少的磁性材料，從而降低總體系統成本。另外，MOSFET 和二極管額定電流值可至少降低50%。體積更小的MOSFET 運行速度自然會(huì )更快，這樣則可進(jìn)一步減少MOSFET 的開(kāi)關(guān)損耗。最后，通過(guò)將每一相位的容量翻番，規模經(jīng)濟提高了各相位配套器件的購買(mǎi)力。

　　圖4 UCC28070 兩相交錯式PFC

　　UCC28070 以連續導電模式(CCM) 運行。同時(shí)，也可選用UCC28060——以轉移模式(TM) 運行。UCC28060 具備類(lèi)似的優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)源于波紋電流的消除，但是同時(shí)還提供了一些較低成本的解決方案。最引人矚目的是，由于在轉移模式下運行時(shí)，不存在反向恢復條件，所以采用低成本的升壓二極管。

　　在UCC28070 或其設計中集成浪涌電流限制功能，只需將圖3 中的浪涌電流組件添加到其中的一個(gè)相位電感上即可。

　　TI 的PFC 控制器的產(chǎn)品系列包括UCC28070 或UCC28060 交錯式PFC 控制器等器件，這些控制器額外配置了一個(gè)功能模塊，其可同時(shí)監控PFC 控制器的輸入端和輸出端。如果功能模塊監測到存在著(zhù)浪涌電流條件，比如線(xiàn)電壓中出現瞬時(shí)損耗，它將限制柵極電路驅動(dòng)輸出，從而阻止MOSFET 開(kāi)關(guān)，并關(guān)閉SCR 柵極驅動(dòng)電路的電源。這樣，浪涌成分就會(huì )自然而然的被退回到大電流通道。

　　總結

　　當談到白色家電應用的系統集成時(shí)，許多設計人員都傾向于電流通道路徑的選擇方案。部分設計人員傾向于走通過(guò)多種使用功能的實(shí)施來(lái)降低系統的復雜性并能夠加速上市時(shí)間的器件應用之路。比如，當添加馬達控制算法（如現場(chǎng)型控制）時(shí)，TI 推出的C2000 數字信號控制器(DSC) 就可以取代傳統用于動(dòng)作控制的微控制器。當采用尺寸更小的電源電子器件時(shí)，可以提高效率。C2000 數字信號控制器除了能與各種PFC 拓撲結構兼容外（包括交錯式PFC），它還能同時(shí)實(shí)施所有必需的三相馬達控制功能、處理系統內部通信、提供用戶(hù)界面以及提供所述的浪涌電流限制控制功能。所有這些功能都可在一片C2000 數字信號處理器(DSP) 上實(shí)現。