如何防止充電機(jī)浪涌電壓沖擊功率因數(shù)控制電路？
2017-7-25 10:00:57??????點(diǎn)擊：
大都用到直流充電機(jī)轉(zhuǎn)換器或電機(jī)變頻器的商品設(shè)備有必要對(duì)市電溝通電壓進(jìn)行整流處理，例如，大大都工業(yè)設(shè)備（電機(jī)轉(zhuǎn)速操控器、充電機(jī)、電信體系電源等）和多見(jiàn)的花費(fèi)電子商品。
傳統(tǒng)二極管整流橋是最常用的溝通電壓整流充電機(jī)充電解決方案。整流橋后面經(jīng)常會(huì)添加一個(gè)充電機(jī)功率因數(shù)操控器，以保證市電電流的波形近似于正弦波。不過(guò)，二極管整流橋無(wú)法操控涌流。用兩個(gè)可控硅整流管（SCR）代替兩個(gè)二極管，新的操控型整流橋能夠約束銜接市電時(shí)的涌流。
本文提出幾個(gè)前端拓?fù)湟约耙恍┡c混合式整流橋和有用防止過(guò)壓有關(guān)的規(guī)劃竅門。試驗(yàn)成果證實(shí)，4 kV至6 kV浪涌電壓耐受規(guī)劃是很簡(jiǎn)單完成的，而且本錢也不高。
涌流約束方案（ICL）和待機(jī)功耗疑問(wèn)
二極管整流橋的缺陷是無(wú)法操控浪涌電流，這是由于在插入市電插座時(shí)，直流充電機(jī)充電機(jī)輸出電容會(huì)俄然充電機(jī)充電。
浪涌流也許會(huì)給體系帶來(lái)許多疑問(wèn)，例如，穩(wěn)妥失效、二極管等元件損壞，一起還會(huì)在電網(wǎng)上發(fā)生過(guò)多的電流應(yīng)力。假如不對(duì)涌流加以約束，啟動(dòng)電流上升速率很快，很簡(jiǎn)單到達(dá)穩(wěn)態(tài)電流的10-20倍，因而，有必要進(jìn)步充電機(jī)線路元器件的參數(shù)，使其能夠短時(shí)刻傳輸大電流。此外，充電機(jī)線路電流俄然進(jìn)步將會(huì)致使電壓驟降，電壓動(dòng)搖將會(huì)下降其它負(fù)載的輸入充電機(jī)功率。銜接在同一條充電機(jī)線路的燈具或顯示屏將會(huì)忽明忽暗，出現(xiàn)閃耀或閃屏景象。為防止這些有害景象，IEC 61000-3-3電磁規(guī)范規(guī)則了最大容許電壓動(dòng)搖和最大容許涌流。
為了到達(dá)這個(gè)規(guī)范請(qǐng)求，常用限流辦法是選用一個(gè)阻值固定的電阻器或一個(gè)熱敏電阻器 （圖1 a中的RLIM）約束電容器涌流。熱敏電阻器一般具有負(fù)溫度系數(shù)特性（NTC），因而，熱敏電阻在低溫即啟動(dòng)時(shí)阻抗大，穩(wěn)態(tài)時(shí)阻抗小。為了在穩(wěn)態(tài)時(shí)操控電阻自身耗費(fèi)的充電機(jī)功率，需求選用低阻值的電阻器。一個(gè)更好的充電機(jī)充電解決辦法是給電阻并聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)，構(gòu)成一個(gè)旁路，在穩(wěn)態(tài)時(shí)接通開(kāi)關(guān)，電流繞過(guò)電阻。
這種旁路開(kāi)關(guān)一般選用機(jī)械繼電器（圖1 a中的S2 ）。這個(gè)充電機(jī)充電解決方案的缺陷是RLIM電阻一直銜接市電充電機(jī)線路，即便使用設(shè)備進(jìn)入待機(jī)形式，也照舊給二極管整流橋供電。由于直流充電機(jī)電容器（C）依然處于充電機(jī)充電狀況，所以存在待機(jī)充電機(jī)功率損耗。為下降充電機(jī)功率損耗，有必要給市電充電機(jī)線路串聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)（圖1 a中的S1），該開(kāi)關(guān)在設(shè)備進(jìn)入待機(jī)形式時(shí)開(kāi)路，這么就能斷開(kāi)二極管整流橋與充電機(jī)線路的銜接。
混合式整流橋是一個(gè)更加智能的涌流約束充電機(jī)充電解決方案，如圖1b所示。利用可控硅整流管（SCR） 的漸進(jìn)式軟啟動(dòng)，向充電機(jī)輸出電容慢速充電機(jī)充電，然后完成對(duì)涌流的約束。在充電機(jī)線路電壓的每半個(gè)周期結(jié)束時(shí)激活可控硅整流管，這時(shí)施加到電容器的電壓被下降。經(jīng)過(guò)逐步下降可控硅整流管導(dǎo)通延時(shí)，延伸可控硅整流管導(dǎo)通時(shí)刻，以此進(jìn)步直流充電機(jī)電容器上的施加的電能。
假如給充電機(jī)線路串聯(lián)一個(gè)電感器（圖1b中的L），這個(gè)充電機(jī)充電解決方案就會(huì)見(jiàn)效。在實(shí)踐使用中，這個(gè)電感器是免費(fèi)的，由于根據(jù)直流充電機(jī)橋的使用大都都有開(kāi)關(guān)式電源或電機(jī)變頻器，不管是哪一種，都需求一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)濾波器。大都EMI濾波器都有一個(gè)共模電感器，發(fā)生雜散差分式電感。
這個(gè)充電機(jī)充電解決方案還需求一個(gè)輔佐電源，用于在直流充電機(jī)充電機(jī)輸出電容器充電機(jī)充電前給微操控器供電，保證可控硅整流管的軟啟動(dòng)操作。
圖1： 根據(jù)電阻器和繼電器的電涌限流充電機(jī)電路 （a）和根據(jù)混合整流橋的電涌限流充電機(jī)電路（b）
因而，這個(gè)約束涌流并操控待機(jī)損耗全體計(jì)劃是用兩個(gè)可控硅整流管代替一個(gè)限流電阻器和兩個(gè)繼電器。與機(jī)械繼電器技能比較，半導(dǎo)體固態(tài)繼電器成本低價(jià)，并克服了機(jī)械繼電器的下列缺陷：
· 線圈致使的操控電流耗費(fèi)大
· 機(jī)械振動(dòng)致使的開(kāi)關(guān)開(kāi)路
· 機(jī)械觸點(diǎn)發(fā)生的聲學(xué)噪聲
· 在易燃環(huán)境導(dǎo)致火災(zāi)（開(kāi)關(guān)電?。?/span>
· 可靠性低（在高直流充電機(jī)電壓或電流時(shí)的繼電器開(kāi)關(guān)操作）
前端維護(hù)向浪涌電壓過(guò)渡
像二極管整流橋相同，混合式整流橋也與市電插座直接相連，如果有浪涌電壓，很可能會(huì)焚毀整流橋和PFC芯片（例如，圖1中的旁通二極管D4）。
依照IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)描繪的抗浪涌沖擊試驗(yàn)過(guò)程，有必要施加不同相角的正負(fù)浪涌電壓。
在市電峰壓時(shí)施加正浪涌電壓
我們?cè)?0°相角施加4KV正浪涌電壓，如圖2的示意圖所示 （無(wú)PFC）。為模仿最惡劣的使用環(huán)境，我們?yōu)長(zhǎng)選用一個(gè)2 ？H電感，C是一個(gè)100 ？F電容。可控硅整流管是兩個(gè)50A的TN5050H-12WY，而D1、D2和D4二極管（PFC旁通二極管）是STBR6012-Y整流管。
在 90°相角時(shí)，T1和D1導(dǎo)通。浪涌進(jìn)步電流，并致使D4導(dǎo)通，由于PFC電感保持電壓。浪涌電流旁通二極管D4，防止焚毀PFC續(xù)流二極管（D3）。
圖2： 正浪涌電壓期間的過(guò)流應(yīng)力（示意圖，D4是PFC旁通二極管）
如圖2所示，在浪涌期間，T1電流峰值達(dá)到1730 A （D1和D4電流也同樣達(dá)到這個(gè)數(shù)值）。電流脈寬相當(dāng)于30 ？s長(zhǎng)的半正弦波。這個(gè)電流應(yīng)力數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于STBR6012-Y和 TN5050H-12WY的承受范圍。
如果施加的涌流高于可控硅整流管或二極管的電流耐受能力范圍，有兩種方法可以降低過(guò)流（兩種方法可一起使用）：
· 提高差分電感的方法雖然有助于降低峰值電流，但也會(huì)使過(guò)流脈寬小幅提高。
· 在充電機(jī)線路輸入端加一個(gè)充電機(jī)電路變阻器，有助于降低充電機(jī)電路受到的峰壓沖擊，同時(shí)也會(huì)降低過(guò)流。
如圖2所示所示，浪涌電流將VDC 充電機(jī)輸出電壓提升到650 V。這個(gè)電壓反向施加到T2（因?yàn)楫?dāng)T1導(dǎo)通時(shí)，二極管D1也同時(shí)導(dǎo)通） 和D2。因此，必須使用至少800 V的器件，TN5050H-12WY和STBR6012-Y是1200 V，電壓裕度很高。
如果反向電壓超出可控硅整流管或二極管的耐受范圍，用一個(gè)電容值更大的充電機(jī)輸出電容或內(nèi)部寄生效應(yīng)很低的電容串聯(lián)一個(gè)電阻器，可以更有效地控制浪涌電壓。
在市電峰壓時(shí)施加負(fù)浪涌電壓
如果施加的負(fù)浪涌電壓是90°相角，混合式整流橋的工作方式就有點(diǎn)復(fù)雜了。
圖3所示給出了這種情況的充電機(jī)電路通斷序列
· A階段：在浪涌施加前混合式整流橋正常工作，VAC 是正電壓，T1和D1導(dǎo)通，充電機(jī)線路電流（IL， 綠色虛線）從L流至N，途經(jīng)T1、D1和充電機(jī)輸出電容。
· B階段：施加負(fù)浪涌電壓，因此VAC 極性變負(fù)，這意味著，負(fù)電流（紅色虛線）將從N流至L。
· C階段：在VAC 電壓變負(fù)后，充電機(jī)線路電流下降。當(dāng)IL 電流過(guò)零時(shí)，D1關(guān)斷。這意味著，現(xiàn)在整個(gè)充電機(jī)線路電壓被施加到T2 （VT2 紅色箭頭）。
C階段必須謹(jǐn)慎處理。實(shí)際上，如果電壓高于可控硅整流管的擊穿電壓，器件可能被燒毀。
圖3： 90°負(fù)浪涌電壓測(cè)試混合整流橋的工作序列
基于Transil的保護(hù)機(jī)制
在可控硅整流管的陽(yáng)極和柵極之間連接一個(gè)過(guò)壓保護(hù)器件Transil（圖4），可以防止T2在C階段被燒毀。在C階段，電壓將會(huì)上升到Transil的擊穿電壓（VBR），觸發(fā) Transil二極管導(dǎo)通，向可控硅整流管柵極施加電流。然后，可控硅整流管導(dǎo)通。圖4描述了這種操作：
· A階段：在第1點(diǎn)結(jié)束，VAC 電壓變負(fù)。
· B階段：在第2點(diǎn)結(jié)束，充電機(jī)線路電流電壓過(guò)零。
· C階段：T2在第3點(diǎn)導(dǎo)通，電壓高于Transil擊穿電壓，施加到T2的電壓最大值被限制在430 V。然后D2也導(dǎo)通，施加浪涌，給充電機(jī)輸出電容充電機(jī)充電。
· D階段在第4點(diǎn)后開(kāi)始。浪涌電流通過(guò)T2、D2和D4施加到充電機(jī)輸出電容。T1和D1關(guān)斷
圖4： 根據(jù)TN5050H-12WY可控硅整流管的混合式整流橋90°1 kV負(fù)浪涌電壓測(cè)驗(yàn)
咱們?cè)跍y(cè)驗(yàn)中選用一個(gè)1，5KE400CA的Transil二極管。這個(gè)二極管可將鉗位電壓的峰值約束到一個(gè)極低的水平（ 430 V），這一點(diǎn)格外主要。在C期間，D1上的負(fù)電壓絕對(duì)值是VT2與VDC之和。假如充電機(jī)輸出直流充電機(jī)電壓是325V，則D1上的負(fù)電壓最大值是755 V（在STBR6012-Y的容許范圍內(nèi)）。電壓值更高的Transil或低電能Transil（1，5KE400CA是一個(gè)1500 W Transil）將會(huì)致使更高的鉗位電壓，致使更高的電壓施加到D1上。
在T2的柵極與陰極之間銜接的電阻器用于分流Dz transil 二極管充電機(jī)輸出的電流，防止dV/dt致使的雜散觸發(fā)。
根據(jù)充電機(jī)電路變阻器的維護(hù)機(jī)制
假如不想讓可控硅整流管在電壓高于430V時(shí)導(dǎo)通，或許當(dāng)可控硅整流管被Transil觸發(fā)時(shí)，假如浪涌電流高于SCR ITSM 值，咱們還有一個(gè)充電機(jī)充電解決辦法，即在整流橋輸入端，將Transil二極管改為電壓抑制器，例如，金屬氧化物充電機(jī)電路變阻器（圖4中的綠色虛線）。充電機(jī)電路變阻器置于EMI濾波器以后，濾波器阻抗（格外是共式扼流圈的差分式電感）可以約束充電機(jī)電路變阻器吸收電流。
并聯(lián)多個(gè)充電機(jī)電路變阻器以非常好地約束浪涌電壓，防止在施加90°相角負(fù)浪涌電壓時(shí)T2導(dǎo)通（在施加270°相角正浪涌電壓時(shí)T1導(dǎo)通）。
浪涌電壓耐受能力取決于充電機(jī)電路變阻器的能否將浪涌電壓約束在T1/T2可控硅整流管的VDSM/VRSM 和 D1/D2二極管的VRRM以下。可控硅整流管過(guò)流不再一個(gè)難題。例如，并聯(lián)四個(gè)385 V 14 mm 金屬氧化物充電機(jī)電路變阻器（MOV），銜接一個(gè)典型的EMI濾波器，當(dāng)浪涌電壓達(dá)到 6 kV 時(shí)，混合式整流橋的電壓約束在1100V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于TN5050H-12WY VDSM的擊穿電壓和STBR6012-Y整流管的擊穿電壓。因而，該充電機(jī)電路典型情況下可以耐受6 kV浪涌沖擊。
結(jié)論
為何挑選這個(gè)拓?fù)洌?/span>
下降充電機(jī)功率損耗、外觀尺度，一起進(jìn)步可靠性（相對(duì)于繼電器和被迫限流器）。
用新一代可控硅整流管和前端拓?fù)渫瓿傻姆€(wěn)健的充電機(jī)充電解決方案。
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