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(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。當然，許多消費類電子產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動，所以諸如空調、冰箱、洗衣機和干燥機之類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(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生的二氧化碳排放。當今世界，很多政府監(jiān)管部門都已經強制要求在白色家電中要具有類似的PFC功能。



不具備PFC功能的馬達驅動電路前端非常類似于一個開關模式的電源。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。當馬達驅動電路首次通電時，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。當通電時，這種情況將產生較大的浪涌電流，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通道。在大多數(shù)嵌入式馬達驅動電路中，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器件的穩(wěn)定性產生負面的影響。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(qū)域的環(huán)境溫度上升。在嵌入式環(huán)境中，這一問題更為嚴重。溫度只要升高10oc，半導體的預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。如果電源電壓暫時下降或電源電壓長時間嚴重欠壓，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。當線電壓恢復正常時，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狀態(tài)。在這種情況下，由于線電壓的恢復而產生比正常情況下更高的浪涌電流，甚至比初次啟動時產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消除。此外，SCR散發(fā)的熱量可由散熱片予以消除（經由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)的時間設定通常無關緊要。工作頻率僅為40kHz的PFC電路將確保SCR的零交叉開關，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預調節(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。雙相交錯式拓撲結構、體積更小的元件是嵌入式馬達驅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的開關損耗。最后，通過將每一相位的容量翻番，規(guī)模經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)導電模式(CCM)運行。同時，也可選用UCC28060――以轉移模式(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，由于在轉移模式下運行時，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相位電感上即可。

TI的PFC控制器的產品系列包括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動輸出，從而阻止MOSFET開關，并關閉SCR柵極驅動電路的電源。這樣，浪涌成分就會自然而然的被退回到大電流通道。

總結
當談到白色家電應用的系統(tǒng)集成時，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多種使用功能的實施來降低系統(tǒng)的復雜性并能夠加速上市時間的器件應用之路。比如，當添加馬達控制算法（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拓撲結構兼容外（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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