將浪涌電流限制和PFC結(jié)合應(yīng)用于白色家電馬達

當(dāng)歐洲強制要求80W及以上的電氣負載以高功率因數(shù)的方式消耗電路中的電流時，這意味著人類在資源和環(huán)境保護方面又向前邁出了一步。當(dāng)然，許多消費類電子產(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馬達的驅(qū)動，所以諸如空調(diào)、冰箱、洗衣機和干燥機之類的許多家電的負載非常復(fù)雜。一般而言，復(fù)雜負載的功率因數(shù)都比較低。通過強制校正上述家用電器的功率因數(shù)，可更好地利用輸電線路送來的電能，從而節(jié)約能源并同時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(dāng)今世界，很多政府監(jiān)管部門都已經(jīng)強制要求在白色家電中要具有類似的PFC功能。



不具備PFC功能的馬達驅(qū)動電路前端非常類似于一個開關(guān)模式的電源。在這個電源中有一個大容量電容，它將消除整流電源中的直流。當(dāng)馬達驅(qū)動電路首次通電時，由于大容量電容上沒有電荷，整流電源的輸入端看起來就像是一個短路電路。當(dāng)通電時，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，那么線路中的電流消耗將迅速飆升，從而超過其正常RMS工作電流（請參閱圖1）。這些過大的電流會對保險絲、焊點和電子組件等機械和電氣元件造成潛在的損壞或應(yīng)力。


圖1典型的120VAC浪涌電流曲線圖

大多數(shù)的白色家電的馬達制造商都已經(jīng)選用負溫度系數(shù)電阻(NTC)來限制浪涌電流。NTC的工作原理非常簡單。在低溫和初次啟動的情況下，NTC是一只高阻抗器件，限流能力非常突出。NTC啟動或進入正常運行工作狀態(tài)片刻后，由于功耗的存在，其溫度會升高。隨著溫度的升高，其電阻顯著下降，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(shù)嵌入式馬達驅(qū)動電路中，NTC放置在大電流路徑中，或是交流側(cè)，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來限制浪涌的做法存在一些內(nèi)在的不足之處，這些不足將對嵌入式馬達驅(qū)動器件的穩(wěn)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，否則它將無法像預(yù)想的那樣工作。由于功率的消耗，而使其他半導(dǎo)體元件所在區(qū)域的環(huán)境溫度上升。在嵌入式環(huán)境中，這一問題更為嚴(yán)重。溫度只要升高10oc，半導(dǎo)體的預(yù)期壽命或平均無故障時間(MTBF)將縮短50%之多，從而大幅降低馬達驅(qū)動器件的穩(wěn)定性。

NTC存在的另一個主要問題就是其熱堆積(thermalmass)或時間響應(yīng)。如果電源電壓暫時下降或電源電壓長時間嚴(yán)重欠壓，而此時大容量電容器又切斷對其的有效充電，那么將會引發(fā)問題。當(dāng)線電壓恢復(fù)正常時，NTC或許還未能獲得足夠的冷卻時間，這樣將使其處于低阻抗?fàn)顟B(tài)。在這種情況下，由于線電壓的恢復(fù)而產(chǎn)生比正常情況下更高的浪涌電流，甚至比初次啟動時產(chǎn)生的浪涌電流還要高。此時，電路無任何保護措施。這種超乎尋常的大電流會損壞電路中傳動系元件，如保險絲、焊點、線跡以及路徑中的所有元件。

圖3顯示了為克服NTC中許多惱人問題的實施方案。這種實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)和一個來自PFC升壓電感小輔助繞組的非穩(wěn)壓電壓源。

馬達電路首次通電時，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，浪涌電阻對電流進行了限制。一段時間之后（時間長短通常取決于PFC控制器電路），電流開始流動。電流流動時，PFC控制器開始開關(guān)功率MOSFET，而MOSFET反過來啟動升壓電感中的脈沖電流。然后，這一脈沖電流會在輔助繞組上產(chǎn)生一個浮動非穩(wěn)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，這條通道繞過橋接整流電路中的兩只整流器以及浪涌電阻。在電路中無需額外增加串聯(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無法做到這一點。這種散熱能力可使器件在更適宜的環(huán)境下運行，從而實現(xiàn)更高的系統(tǒng)穩(wěn)定性和MTBF值。

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

圖3顯示了業(yè)界首款單芯雙相交錯式PFC預(yù)調(diào)節(jié)器――TIUCC28070的簡化原理圖。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)濾波器以及外觀更小巧的PFC輸出電容器。雙相交錯式拓撲結(jié)構(gòu)、體積更小的元件是嵌入式馬達驅(qū)動電路的理想解決方案。交錯式PFC可滿足非常高的功率密度要求。


圖3PFC控制器中的浪涌控制功能

由于功耗分散到兩個相位上，所以交錯式PFC其他的優(yōu)點還包括更輕松的散熱管理。因為兩個相位的總電感容量比單級設(shè)計要小很多（請參閱圖4），所以可以使用外觀更小巧的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(tǒng)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運行速度自然會更快，這樣則可進一步減少MOSFET的開關(guān)損耗。最后，通過將每一相位的容量翻番，規(guī)模經(jīng)濟提高了各相位配套器件的購買力。


圖4UCC28070兩相交錯式PFC

UCC28070以連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)運行。同時，也可選用UCC28060――以轉(zhuǎn)移模式(TM)運行。UCC28060具備類似的優(yōu)點，這些優(yōu)點源于波紋電流的消除，但是同時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(zhuǎn)移模式下運行時，不存在反向恢復(fù)條件，所以采用低成本的升壓二極管。

在UCC28070或其設(shè)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功能模塊，其可同時監(jiān)控PFC控制器的輸入端和輸出端。如果功能模塊監(jiān)測到存在著浪涌電流條件，比如線電壓中出現(xiàn)瞬時損耗，它將限制柵極電路驅(qū)動輸出，從而阻止MOSFET開關(guān)，并關(guān)閉SCR柵極驅(qū)動電路的電源。這樣，浪涌成分就會自然而然的被退回到大電流通道。

總結(jié)
當(dāng)談到白色家電應(yīng)用的系統(tǒng)集成時，許多設(shè)計人員都傾向于電流通道路徑的選擇方案。部分設(shè)計人員傾向于走通過多種使用功能的實施來降低系統(tǒng)的復(fù)雜性并能夠加速上市時間的器件應(yīng)用之路。比如，當(dāng)添加馬達控制算法（如現(xiàn)場型控制）時，TI推出的C2000數(shù)字信號控制器(DSC)就可以取代傳統(tǒng)用于動作控制的微控制器。當(dāng)采用尺寸更小的電源電子器件時，可以提高效率。C2000數(shù)字信號控制器除了能與各種PFC拓撲結(jié)構(gòu)兼容外（包括交錯式PFC），它還能同時實施所有必需的三相馬達控制功能、處理系統(tǒng)內(nèi)部通信、提供用戶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(shù)字信號處理器(DSP)上實現(xiàn)。

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