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如何利用SCR輕松驅(qū)動AC/DC轉(zhuǎn)換器啟動?

發(fā)布時間:2024-05-11 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】過去十年,新裝服務(wù)器的市場需求增長迅猛,20152022年復(fù)合年均增長率達(dá)到了11%。拉動市場增長的動力主要來自以下幾個方面:首先,個人文件無紙化和企業(yè)辦公數(shù)字化進(jìn)程加快;其次,全球健康危機(jī)期間的居家辦公,新媒體平臺融入個人生活,致使屏幕使用時間大幅增加;最后,隨著人工智能的興起和普及,這個市場將繼續(xù)保持高速增長。在這個背景下,給服務(wù)器設(shè)計開關(guān)電源殊為不易,主要是處理高熱耗散問題,以及降低這種大型可擴(kuò)展設(shè)備的維修成本,這是擺在電源開發(fā)者面前的兩大難題。


I.前言

 

過去十年,新裝服務(wù)器的市場需求增長迅猛,2015到2022年復(fù)合年均增長率達(dá)到了11%。拉動市場增長的動力主要來自以下幾個方面:首先,個人文件無紙化和企業(yè)辦公數(shù)字化進(jìn)程加快;其次,全球健康危機(jī)期間的居家辦公,新媒體平臺融入個人生活,致使屏幕使用時間大幅增加;最后,隨著人工智能的興起和普及,這個市場將繼續(xù)保持高速增長。在這個背景下,給服務(wù)器設(shè)計開關(guān)電源殊為不易,主要是處理高熱耗散問題,以及降低這種大型可擴(kuò)展設(shè)備的維修成本,這是擺在電源開發(fā)者面前的兩大難題。

 

基于可控硅來解決這兩大問題的方案應(yīng)運(yùn)而生,提出了用可控硅替代傳統(tǒng)機(jī)電開關(guān)的設(shè)計在開關(guān)電源的AC/DC部分的啟動功能的方案。

 

II.先進(jìn)技術(shù)

 

a)原理

 

在 AC-DC功率轉(zhuǎn)換器啟動過程中,大容量電容直流充電時會產(chǎn)生高于系統(tǒng)標(biāo)稱穩(wěn)態(tài)電流10 倍的大電流,這種涌流會在市電交流電源上產(chǎn)生電壓降,從而影響同一電源連接的其他設(shè)備的正常運(yùn)行。在IEC61000-3-3標(biāo)準(zhǔn)里有電壓波動和頻閃的定義。

 

要想保護(hù)電氣設(shè)備的安全和功率轉(zhuǎn)換器的可靠性,必須抑制這種浪涌電流。事實(shí)上,浪涌電流可能會觸發(fā)或燒毀電源串聯(lián)的設(shè)備,例如,斷路器、保險絲、電容器或橋式整流器。

 

有三種解決方案可以抑制電氣設(shè)備連接電源時產(chǎn)生的浪涌電流:

- 用繼電器并聯(lián)NTC或PTC熱敏電阻,在電源恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)后短接啟動電阻,傳輸電能,降低電阻的電能損耗;

- 用SCR可控硅代替方案1的繼電器; 

- 用SCR設(shè)計軟啟動的導(dǎo)通配置

 

關(guān)于每個涌流抑制解決方案在啟動階段和穩(wěn)態(tài)階段的工作原理圖,見圖1。

 

如何利用SCR輕松驅(qū)動AC/DC轉(zhuǎn)換器啟動? 

 圖1:AC/DC轉(zhuǎn)換器:浪涌電流抑制電路拓?fù)?/p>

 

b)為軟啟動尋找一個適合的方法

 

以前的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)涫怯脵C(jī)電繼電器建立一條旁路,繞過管理浪涌電流的NTC熱敏電阻。用 SCR建立旁路也可以實(shí)現(xiàn)同樣的效果。現(xiàn)在更加優(yōu)化的方法是采用軟啟動拓?fù)洹?/p>

 

通過用相位角控制SCR開關(guān)操作,可以把PFC輸出電容器的電壓平穩(wěn)地提高至交流線路的峰值電壓。MCU控制預(yù)充電流峰值,并同步SCR柵極驅(qū)動信號的相位角步長(圖2中的Δt)。


如何利用SCR輕松驅(qū)動AC/DC轉(zhuǎn)換器啟動? 

圖2:采用純SCR拓?fù)涞能泦?/p>

 

不難發(fā)現(xiàn),ILINE 峰值和 Δt 值是相關(guān)的:Δt值越大,ILINE 峰值越高,系統(tǒng)啟動越快。

 

c) 純SCR涌流抑制拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)

 

軟啟動拓?fù)湓试S設(shè)計人員不用機(jī)電元件和無源元件(即 NTC 或 PTC)就能處理在應(yīng)用啟動階段出現(xiàn)的浪涌電流,從而降低AC/DC整流部分的物料成本。

 

通過用MCU 控制SCR 的導(dǎo)通,設(shè)計人員可以輕松設(shè)置線路電流大小,改善啟動時間,同時滿足IEC61000-3-3標(biāo)準(zhǔn)。

 

SCR可控硅X1 和 X2 正在取代下橋臂上的標(biāo)準(zhǔn)整流二極管,可控硅驅(qū)動電路是由一個雙向晶閘管Q1和兩個小二極管D1和D2組成。

 

因?yàn)椴捎眠@種驅(qū)動器配置,MCU可直接控制SCR導(dǎo)通,無需額外隔離電路和交流線路極性檢測。只要被施加正偏置電壓后,SCR就能正向?qū)?,因此?dāng)將柵極電流反向施加到未使用的SCR時,沒有潛在功率損耗的風(fēng)險。

 

這種全固態(tài)浪涌電流管理方案沒有笨重的活動的機(jī)械元件,因而改進(jìn)了電源的可靠性和使用壽命。此外,應(yīng)用中不再有因?yàn)槔^電器觸點(diǎn)彈跳產(chǎn)生的EMI噪聲。與繼電器相比,可控硅沒有老化問題。

 

圖 3從能效、功率密度、使用壽命、聲學(xué)噪聲和電磁干擾幾個方面比較了16A SCR和16A機(jī)械繼電器的應(yīng)用性能。

 

如何利用SCR輕松驅(qū)動AC/DC轉(zhuǎn)換器啟動? 

圖3:SCR與機(jī)械式繼電器性能對比

 

III. 數(shù)據(jù)中心的電力損耗非常嚴(yán)重

 

數(shù)據(jù)中心SMPS設(shè)計人員面臨的主要難題是功率損耗。即使散熱方法不斷改進(jìn),不管是水冷還是油冷,首要手段仍然是限制轉(zhuǎn)換器分立功率器件的電能損耗,使開關(guān)電源盡可能達(dá)到最高能效。

 

a) 基于繼電器的1500W電源與基于SCR的1500W電源能耗對比

 

我們在1500 W電源裝置(PSU)上測量了純SCR解決方案的能效。該電源的最初配置使用的是機(jī)械繼電器,我們用意法半導(dǎo)體開發(fā)的評估板(STEVAL SCR002V1)替換機(jī)械繼電器,在電源上實(shí)現(xiàn)一個純SCR的啟動拓?fù)?。圖 4 顯示了兩種解決方案在輸出負(fù)載從 10% 到100% 時的能效。


SCR 拓?fù)涞哪苄c繼電器的能效完全相同。


如何利用SCR輕松驅(qū)動AC/DC轉(zhuǎn)換器啟動? 

 圖4:1500 W電源能效對負(fù)載比曲線圖

 

b) 150°C 結(jié)溫下的 SCR 損耗優(yōu)化

 

選擇正確的 SCR 對于防止高功率損耗和可能的過熱現(xiàn)象非常重要。意法半導(dǎo)體開發(fā)了一系列AC/DC轉(zhuǎn)換器專用的SCR。

 

150°C最大結(jié)溫是關(guān)鍵參數(shù)。圖 5描述了 16A SCR(TN1605H-8I)在高溫條件下的通態(tài)特性。在150 °C結(jié)溫和RMS 6.5 A電流(在1500 W / 230 V電源上)時,SCR 的通態(tài)壓降低于正常溫度25°C 的通態(tài)壓降,所以,SCR在高溫工作時的功率損耗會更低。

 

在高溫工作時,SCR還有其他優(yōu)點(diǎn):較低的散熱要求、更寬的溫度裕量、更高的可靠性。

 

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圖5: 16A SCR在高溫通態(tài)時的特性

 

VI. 電路實(shí)現(xiàn)及工作方式

 

設(shè)計者的第一個問題是“如何設(shè)計整流橋中的SCR柵極電路”?

 

這個問題很容易回答,因?yàn)橄旅娴臇艠O電路是由分立器件組成的,由 MCU 直接控制,并且不需要給接口額外加隔離器件。

 

為了簡單地解釋電路的工作原理,我們只討論交流線路正弦波的正半波,下面是電路運(yùn)行方式:SCR可控硅X2 是由 Q1 通過二極管 D2導(dǎo)通。因此,一旦 MCU激活Q1,X2也會導(dǎo)通。Q1柵極電流來自MCU,而X2 柵極電流是通過Q1和D2接收的交流電源的電流。

 

如何利用SCR輕松驅(qū)動AC/DC轉(zhuǎn)換器啟動? 

圖6:電路工作方式

 

在正弦波的正半周期,D1二極管被反向偏置,因此沒有柵極電流流過 X1 SCR的柵極,從而防止SCR 漏電流導(dǎo)致的反向損耗增加。

 

在浪涌階段,MCU 控制Q1三端雙向可控硅開關(guān)元件的相位角,因此,X2 SCR也是用相位角控制。浪涌電流流經(jīng) D3、PFC 輸出電容(C)、X2 SCR,然后回到零線。Vdc充電順利。

 

在穩(wěn)定狀態(tài)下,PFC導(dǎo)通,MCU控制Q1三端雙向可控硅全波段導(dǎo)通,X2可控硅導(dǎo)通。在交流電源正弦負(fù)半周期也是同樣的操作,使用相同的MCU I/O 信號。

 

結(jié)論

 

純SCR拓?fù)浼捌鋵S玫姆墙^緣驅(qū)動器可以輕松地替代機(jī)電繼電器和/或無源元件解決電氣設(shè)備啟動時的浪涌電流問題,這個基于高結(jié)溫SCR的完整固態(tài)解決方案非常適合功率密度非常高的應(yīng)用場景,例如,數(shù)據(jù)中心的SMPS電源。該方案有以下幾個好處:高能效;去除機(jī)械部件,高可靠性;實(shí)現(xiàn)簡單的非隔離控制電路。

(來源:意法半導(dǎo)體 ,作者: Romain PICHON,Benoit RENARD


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