將浪涌電流限制和PFC 結合應用于白色家電馬達

　　當歐洲強制要求 80W 及以上的電氣負載以高功率因數的方式消耗電路中的電流時(shí)，這意味著(zhù)人類(lèi)在資源和環(huán)境保護方面又向前邁出了一步。當然，許多消費類(lèi)電子產(chǎn)品也由此受到了影響，其中包括白色家電。由于配置了逆變器用于電動(dòng)馬達的驅動(dòng)，所以諸如空調、冰箱、洗衣機和干燥機之類(lèi)的許多家電的負載非常復雜。一般而言，復雜負載的功率因數都比較低。通過(guò)強制校正上述家用電器的功率因數，可更好地利用輸電線(xiàn)路送來(lái)的電能，從而節約能源并同時(shí)降低電能成本和減少燃燒礦物燃料而產(chǎn)生的二氧化碳排放。當今世界，很多政府監管部門(mén)都已經(jīng)強制要求在白色家電中要具有類(lèi)似的 PFC 功能。

 

　　不具備 PFC 功能的馬達驅動(dòng)電路前端非常類(lèi)似于一個(gè)開(kāi)關(guān)模式的電源。在這個(gè)電源中有一個(gè)大容量電容，它將消除整流電源中的直流。當馬達驅動(dòng)電路首次通電時(shí)，由于大容量電容上沒(méi)有電荷，整流電源的輸入端看起來(lái)就像是一個(gè)短路電路。當通電時(shí)，這種情況將產(chǎn)生較大的浪涌電流，以為電容器充電。如果上述浪涌電流未得到控制或限制，那么線(xiàn)路中的電流消耗將迅速飆升，從而超過(guò)其正常 RMS 工作電流(請參閱圖 1)。這些過(guò)大的電流會(huì )對保險絲、焊點(diǎn)和電子組件等機械和電氣元件造成潛在的損壞或應力。

　　圖 1 典型的 120VAC 浪涌電流曲線(xiàn)圖

　　大多數的白色家電的馬達制造商都已經(jīng)選用負溫度系數電阻 (NTC) 來(lái)限制浪涌電流。NTC 的工作原理非常簡(jiǎn)單。在低溫和初次啟動(dòng)的情況下，NTC 是一只高阻抗器件，限流能力非常突出。NTC 啟動(dòng)或進(jìn)入正常運行工作狀態(tài)片刻后，由于功耗的存在，其溫度會(huì )升高。隨著(zhù)溫度的升高，其電阻顯著(zhù)下降，這樣則為電流提供了一條更為順暢的流經(jīng)通道。在大多數嵌入式馬達驅動(dòng)電路中，NTC 放置在大電流路徑中，或是交流側，抑或是橋接整流器之后(請參閱圖 2)。

 

　　圖 2 典型的浪涌保護電路

　　采用 NTC 來(lái)限制浪涌的做法存在一些內在的不足之處，這些不足將對嵌入式馬達驅動(dòng)器件的穩定性產(chǎn)生負面的影響。正如前面所述，NTC 的效率取決于溫度的高低。NTC 的溫度越高，其效率也就越高。NTC 不可用作散熱元件，否則它將無(wú)法像預想的那樣工作。由于功率的消耗，而使其他半導體元件所在區域的環(huán)境溫度上升。在嵌入式環(huán)境中，這一問(wèn)題更為嚴重。溫度只要升高 10oc，半導體的預期壽命或平均無(wú)故障時(shí)間 (MTBF) 將縮短 50% 之多，從而大幅降低馬達驅動(dòng)器件的穩定性。

　　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。