PFC升压变换器应用管理论文

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摘要：以半可控整流器桥路(HCRB)为基础的STIL02浪涌电流限制器克服了NTC热敏电阻在热态重启时浪涌限流功能变差以及热态功耗较大的缺点，因而是一款优质高效的新型浪涌电流限制器。文中介绍了STIL02临界模式pfc升压预调整器中的应用，同时给出了其应用电路。

关键词：浪涌电流；限流器件；STIL02；PFC应用

在脱线变换器启动期间，因对大容量电容器充电会产生一个大电流。这个大电流比系统正常电流大几倍乃至几十倍(即所谓浪涌电流)，而这可能使AC线路的电压降落，从而影响连接在同一AC线路上的所有设备的运行，有时会烧断保险丝和整流二极管等元件。因此，必须对其加以限制。

限制浪涌电流的最简单方法是在系统AC线路输入端串联一只NTC热敏电阻。由于在冷启动时，NTC热敏电阻呈现高阻抗，因而将使涌入电流得到限制。而当电流的热效应使NTC热敏元件的温度升高，NTC阻值急剧下降时，对系统的电流限制作用会较小。同时，由于NTC热敏电阻在热态下的阻抗并不是零，故会产生功率损耗，从而影响系统的运行效率。还有一个问题是NTC热敏电阻在热态下重新启动时，对浪涌电流起不到限制作用。为此，可在系统启动之后，利用SCR等元件将NTC热敏元件短路。

1基于HCRB的电流限制器STIL02

在传统浪涌电流限制电路中，HCRB被认为是较为先进的一种电路，其基本结构如图1所示。HCRB电路是在桥式整流器上部二极管D1、D2和限流电阻(Rinrush)之间并接两个SCRS(SCR1和CSR2)，以组成SCR／二极管混合桥路，从而在系统(PFC升压预变换器)启动期间使浪涌电流通过D1、D2和Rinrush并被Rinrush(NTC)限制。当大容量电容器完全充电后，AC电流通过触发的SCR1、SCR2和D3、D4整流而将D1、D2和Rinrush短路。

基于HCRB电路，ST公司利用专门的ASDTM工艺研制出新型浪涌电流限制器件STIL02。该器件内置两个非灵敏单向开关和驱动器电路，如图2所示。这种采用5引脚小型单列直插式(PENTAWATTHV2)封装的器件，在使用时可将脚L(1)连接到AC线路的火线上，脚N(5)连接AC线路的地线上。而它的其余3个引脚中，OUT(3)为输出端，PT1(2)和PT2(4)为触发输入端。

STIL02的重复正向和反向截止电压达700V，输出平均电流Iout(AV)为2A，具有dV／dt＞500V／μs的高抗扰性能和较小的功率损耗。

与HCRB电路比较，STIL02解决了功率损耗与抗扰性之间的矛盾。众所周知：SCR分为灵敏和非灵敏两类。如果HCRB中SCR采用灵敏型器件(触发电流小于100μA)，尽管其反向漏电流和反向损耗都很小，但实际上还是不可行。原因是其抗扰性太差，dV／dt仅约10V／μs(加进阻尼电路也只有约100V／μs)，而系统启动时在前端产生的窄振荡脉冲电压上升速率dV／dt通常将近300V／μs。如果HCRB中的SCR采用非灵敏器件(触发电流为几个mA)，虽然dV／dt可达200V／μs(附加阻尼电路将近400V／μs)，但其反向漏电流和反向损耗比灵敏型SCR约高100倍。而STIL02的功率损耗与灵敏SCR相同，但抗扰性是所有类型的SCR都不能比拟的(其dV／dt可达1000V／μs以上)。

2应用电路及工作原理

SITL02应用在PFC升压变换器前端的连接电路如图3所示。当该电路在室温下冷启动时，STIL02中的两个单向开关是断开的，浪涌电流通过桥式整流二极管和涌入电流限制电阻R4(NTC)对PFC输出电容C7充电。一旦PFC变换器导通，那么由升压电感器的次级绕组(n2)、二极管D1和D2、电阻R3及电容C1、C2、C3组成的辅助电源(实际上作为STIL02的驱动电路使用)将会提供足够的能量，以驱动STIL02的两个开关以使其导通，从而使AC电流通过两个开关和桥式整流器下的两只二极管整流。

如果AC线路脱落，输入电流突然消失，电容器C3不再充电，其电压降低。一旦STIL02脚PT1和PT2上的输入驱动电流低于触发电流门限电平，内部两个单向开关就会断开。而当AC线路恢复输入时，对C3充电的涌入电流将通过R4(NTC)被限制。

图2和图3

3设计举例

设PFC升压变换器工作在临界模式(CriticalMode)且技术要求如下：

●最大输出功率Pout(max)为85W；

●输入AC电压为85～264Vrms(50／60Hz)；

●经调节的DC输出电压Vout为400V；

●峰值涌入电流Ipeak小于30A(＠Ta＝25℃)；

●系统效率η为80％；

●最大开关频率fs(max)为365kHz。

根据上述条件，可选择L6561为PFC控制器。

3．1主要功率元件的选择

ST公司生产的浪涌电流限制器件除STIL02外，还有STIL04。其中STIL02的平均输出电流为2A，STIL04则为4A。在PFC升压变换器中，可以认为桥式整流器的输入电流为正弦电流，故通过浪涌电流限制器件的平均电流为：

因此，对于本设计，可选用STIL02来进行浪涌电流限制。

在系统启动之后的稳态条件下，由于R4被STIL02短路，故R4的温度不会升高。然而，环境温度应尽可能低一些，才能保持R4有足够高的等效阻值以限制浪涌电流。由于在冷启动时要求通过R4的峰值电流为30A，R4的阻值可选10Ω。

在稳态条件下，桥式整流器上部的两只二极管将被STIL02的两个开关短路，因此，仅有下部的两只二极管工作。同时，由于通过二极管的平均电流与STIL02相同(1．12A)，因此，可选平均电流高于1．12A的二极管，推荐采用4A／800V的全桥整流器。

3．2STIL02驱动电路的元件参数

STIL02驱动电路元件参数的设计主要有：升压电感器辅助绕组匝数n2的计算、以及电容和电阻的参数设计等。对于图3电路，根据上述设计要求，其参数设计为：C1、C2为330nF，C3为10μF，R1和R2为0．33Ω，辅助绕组匝数n2可选3匝。

4结束语

用STIL02(或STIL04)替代传统浪涌电流限制元件或电路的主要优点如下三点：

(1)尺寸较小，器件体积比单只SCR稍大一点，由于仅有5个引脚。用其替代HCRB电路，可以省略HCRB电路中两只SCR的控制极触发电路，因此，有助于提高电源变换器功能密度。

(2)减小了功率损耗，有利于提高系统效率。采用STIL02比单独使用NTC热敏电阻的功率损耗要低(原因是系统进入正常操作时，STIL02将NTC热敏电阻短路)，在85W的电源变换器中，可使效率约提高1％。与HCRB电路比较，STIL02的反向功率损耗约比HCRB中的非灵敏型SCR小100倍，从而可使85W的变换器效率提高约1．5％。

(3)抗干扰能力强，坚固耐用，可靠性高。