如何利用SCR輕松驅(qū)動(dòng)AC/DC轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)？

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

I.前言

過去十年，新裝服務(wù)器的市場(chǎng)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(dòng)市場(chǎng)增長的動(dòng)力主要來自以下幾個(gè)方面：首先，個(gè)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(tái)融入個(gè)人生活，致使屏幕使用時(shí)間大幅增加；最后，隨著人工智能的興起和普及，這個(gè)市場(chǎng)將繼續(xù)保持高速增長。在這個(gè)背景下，給服務(wù)器設(shè)計(jì)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(jì)在開關(guān)電源的AC/DC部分的啟動(dòng)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(dòng)過程中，大容量電容直流充電時(shí)會(huì)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(huì)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(dòng)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(huì)觸發(fā)或燒毀電源串聯(lián)的設(shè)備，例如，斷路器、保險(xiǎn)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(shí)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(dòng)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(jì)軟啟動(dòng)的導(dǎo)通配置

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

圖1：AC/DC轉(zhuǎn)換器：浪涌電流抑制電路拓?fù)?/p>

b)為軟啟動(dòng)尋找一個(gè)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?，F(xiàn)在更加優(yōu)化的方法是采用軟啟動(dòng)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(dòng)信號(hào)的相位角步長（圖2中的Δt）。

圖2：采用純SCR拓?fù)涞能泦?dòng)

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(dòng)越快。

c) 純SCR涌流抑制拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)

軟啟動(dòng)拓?fù)湓试S設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)人員可以輕松設(shè)置線路電流大小，改善啟動(dòng)時(shí)間，同時(shí)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(dòng)電路是由一個(gè)雙向晶閘管Q1和兩個(gè)小二極管D1和D2組成。

因?yàn)椴捎眠@種驅(qū)動(dòng)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(cè)。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(shí)，沒有潛在功率損耗的風(fēng)險(xiǎn)。

這種全固態(tài)浪涌電流管理方案沒有笨重的活動(dòng)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(gè)方面比較了16A SCR和16A機(jī)械繼電器的應(yīng)用性能。

圖3：SCR與機(jī)械式繼電器性能對(duì)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(jì)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(duì)比

我們?cè)?500 W電源裝置(PSU)上測(cè)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(píng)估板（STEVAL SCR002V1）替換機(jī)械繼電器，在電源上實(shí)現(xiàn)一個(gè)純SCR的啟動(dòng)拓?fù)洹D 4 顯示了兩種解決方案在輸出負(fù)載從 10% 到100% 時(shí)的能效。

SCR 拓?fù)涞哪苄c繼電器的能效完全相同。

圖4：1500 W電源能效對(duì)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(duì)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(shí)，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(shí)的功率損耗會(huì)更低。

在高溫工作時(shí)，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。

圖5: 16A SCR在高溫通態(tài)時(shí)的特性

VI. 電路實(shí)現(xiàn)及工作方式

設(shè)計(jì)者的第一個(gè)問題是“如何設(shè)計(jì)整流橋中的SCR柵極電路”？

這個(gè)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(huì)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。

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(hào)。

結(jié)論

純SCR拓?fù)浼捌鋵Ｓ玫姆墙^緣驅(qū)動(dòng)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(dòng)時(shí)的浪涌電流問題，這個(gè)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(chǎng)景，例如，數(shù)據(jù)中心的SMPS電源。該方案有以下幾個(gè)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。

本文作者：

Romain PICHON – 意法半導(dǎo)體晶閘管應(yīng)用

Benoit RENARD – 意法半導(dǎo)體晶閘管市場(chǎng)營銷

審核編輯 黃宇