將浪涌電流限制和PFC結(jié)合應(yīng)用于白色家電馬達(dá)
[導(dǎo)讀]本文介紹了,通過強(qiáng)制校正家用電器的功率因數(shù)，可更好地利用輸電線路送來(lái)的電能，從而節(jié)約能源并同時(shí)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)歐洲強(qiáng)制要求 80W 及以上的電氣負(fù)載以高功率因數(shù)的方式消耗電路中的電流時(shí)，這意味著人類在資源和環(huán)境保護(hù)方面又向前邁出了一步。當(dāng)然，許多消費(fèi)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(dòng)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)，所以諸如空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)和干燥機(jī)之類的許多家電的負(fù)載非常復(fù)雜。一般而言，復(fù)雜負(fù)載的功率因數(shù)都比較低。通過強(qiáng)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(lái)的電能，從而節(jié)約能源并同時(shí)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(qiáng)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(dá)驅(qū)動(dòng)電路前端非常類似于一個(gè)開關(guān)模式的電源。在這個(gè)電源中有一個(gè)大容量電容，它將消除整流電源中的直流。當(dāng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路首次通電時(shí)，由于大容量電容上沒有電荷，整流電源的輸入端看起來(lái)就像是一個(gè)短路電路。當(dāng)通電時(shí)，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(qǐng)參閱圖 1）。這些過大的電流會(huì)對(duì)保險(xiǎn)絲、焊點(diǎn)和電子組件等機(jī)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(dá)制造商都已經(jīng)選用負(fù)溫度系數(shù)電阻 (NTC) 來(lái)限制浪涌電流。NTC 的工作原理非常簡(jiǎn)單。在低溫和初次啟動(dòng)的情況下，NTC 是一只高阻抗器件，限流能力非常突出。NTC 啟動(dòng)或進(jìn)入正常運(yùn)行工作狀態(tài)片刻后，由于功耗的存在，其溫度會(huì)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(dá)驅(qū)動(dòng)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(qǐng)參閱圖 2）。
圖 2 典型的浪涌保護(hù)電路
采用 NTC 來(lái)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(duì)嵌入式馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器件的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)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(wú)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(wú)故障時(shí)間 (MTBF) 將縮短 50% 之多，從而大幅降低馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器件的穩(wěn)定性。
NTC 存在的另一個(gè)主要問題就是其熱堆積 (thermal mass) 或時(shí)間響應(yīng)。如果電源電壓暫時(shí)下降或電源電壓長(zhǎng)時(shí)間嚴(yán)重欠壓，而此時(shí)大容量電容器又切斷對(duì)其的有效充電，那么將會(huì)引發(fā)問題。當(dāng)線電壓恢復(fù)正常時(shí)，NTC 或許還未能獲得足夠的冷卻時(shí)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(dòng)時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流還要高。此時(shí)，電路無(wú)任何保護(hù)措施。這種超乎尋常的大電流會(huì)損壞電路中傳動(dòng)系元件，如保險(xiǎn)絲、焊點(diǎn)、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(shí)施方案。這種實(shí)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(gè)來(lái)自 PFC 升壓電感小輔助繞組的非穩(wěn)壓電壓源。
馬達(dá)電路首次通電時(shí)，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(duì)電流進(jìn)行了限制。一段時(shí)間之后（時(shí)間長(zhǎng)短通常取決于 PFC 控制器電路），電流開始流動(dòng)。電流流動(dòng)時(shí)，PFC 控制器開始開關(guān)功率 MOSFET，而 MOSFET 反過來(lái)啟動(dòng)升壓電感中的脈沖電流。然后，這一脈沖電流會(huì)在輔助繞組上產(chǎn)生一個(gè)浮動(dòng)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(wú)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(jī)架），而 NTC 無(wú)法做到這一點(diǎn)。這種散熱能力可使器件在更適宜的環(huán)境下運(yùn)行，從而實(shí)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(lái)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(shí)間設(shè)定通常無(wú)關(guān)緊要。工作頻率僅為 40 kHz 的 PFC 電路將確保 SCR 的零交叉開關(guān)，使其更像橋接中的簡(jiǎn)單整流器。
圖 3 顯示了業(yè)界首款單芯雙相交錯(cuò)式 PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器——TI UCC28070 的簡(jiǎn)化原理圖。交錯(cuò)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(cuò)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、體積更小的元件是嵌入式馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路的理想解決方案。交錯(cuò)式 PFC 可滿足非常高的功率密度要求。
圖 3 PFC 控制器中的浪涌控制功能
由于功耗分散到兩個(gè)相位上，所以交錯(cuò)式 PFC 其他的優(yōu)點(diǎn)還包括更輕松的散熱管理。因?yàn)閮蓚€(gè)相位的總電感容量比單級(jí)設(shè)計(jì)要小很多（請(qǐng)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(yùn)行速度自然會(huì)更快，這樣則可進(jìn)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(jì)提高了各相位配套器件的購(gòu)買力。
圖 4 UCC28070 兩相交錯(cuò)式 PFC
UCC28070 以連續(xù)導(dǎo)電模式 (CCM) 運(yùn)行。同時(shí)，也可選用 UCC28060——以轉(zhuǎn)移模式 (TM) 運(yùn)行。UCC28060 具備類似的優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)源于波紋電流的消除，但是同時(shí)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(yùn)行時(shí)，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(jì)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(gè)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(cuò)式 PFC 控制器等器件，這些控制器額外配置了一個(gè)功能模塊，其可同時(shí)監(jiān)控 PFC 控制器的輸入端和輸出端。如果功能模塊監(jiān)測(cè)到存在著浪涌電流條件，比如線電壓中出現(xiàn)瞬時(shí)損耗，它將限制柵極電路驅(qū)動(dòng)輸出，從而阻止 MOSFET 開關(guān)，并關(guān)閉 SCR 柵極驅(qū)動(dòng)電路的電源。這樣，浪涌成分就會(huì)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(shí)，許多設(shè)計(jì)人員都傾向于電流通道路徑的選擇方案。部分設(shè)計(jì)人員傾向于走通過多種使用功能的實(shí)施來(lái)降低系統(tǒng)的復(fù)雜性并能夠加速上市時(shí)間的器件應(yīng)用之路。比如，當(dāng)添加馬達(dá)控制算法（如現(xiàn)場(chǎng)型控制）時(shí)，TI 推出的 C2000 數(shù)字信號(hào)控制器 (DSC) 就可以取代傳統(tǒng)用于動(dòng)作控制的微控制器。當(dāng)采用尺寸更小的電源電子器件時(shí)，可以提高效率。C2000 數(shù)字信號(hào)控制器除了能與各種 PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兼容外（包括交錯(cuò)式 PFC），它還能同時(shí)實(shí)施所有必需的三相馬達(dá)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(hào)處理器 (DSP) 上實(shí)現(xiàn)。
不具備 PFC 功能的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路前端非常類似于一個(gè)開關(guān)模式的電源。在這個(gè)電源中有一個(gè)大容量電容，它將消除整流電源中的直流。當(dāng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路首次通電時(shí)，由于大容量電容上沒有電荷，整流電源的輸入端看起來(lái)就像是一個(gè)短路電路。當(dāng)通電時(shí)，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(qǐng)參閱圖 1）。這些過大的電流會(huì)對(duì)保險(xiǎn)絲、焊點(diǎn)和電子組件等機(jī)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(dá)制造商都已經(jīng)選用負(fù)溫度系數(shù)電阻 (NTC) 來(lái)限制浪涌電流。NTC 的工作原理非常簡(jiǎn)單。在低溫和初次啟動(dòng)的情況下，NTC 是一只高阻抗器件，限流能力非常突出。NTC 啟動(dòng)或進(jìn)入正常運(yùn)行工作狀態(tài)片刻后，由于功耗的存在，其溫度會(huì)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(dá)驅(qū)動(dòng)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(qǐng)參閱圖 2）。
圖 2 典型的浪涌保護(hù)電路
采用 NTC 來(lái)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(duì)嵌入式馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器件的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)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(wú)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(wú)故障時(shí)間 (MTBF) 將縮短 50% 之多，從而大幅降低馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器件的穩(wěn)定性。
NTC 存在的另一個(gè)主要問題就是其熱堆積 (thermal mass) 或時(shí)間響應(yīng)。如果電源電壓暫時(shí)下降或電源電壓長(zhǎng)時(shí)間嚴(yán)重欠壓，而此時(shí)大容量電容器又切斷對(duì)其的有效充電，那么將會(huì)引發(fā)問題。當(dāng)線電壓恢復(fù)正常時(shí)，NTC 或許還未能獲得足夠的冷卻時(shí)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(dòng)時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流還要高。此時(shí)，電路無(wú)任何保護(hù)措施。這種超乎尋常的大電流會(huì)損壞電路中傳動(dòng)系元件，如保險(xiǎn)絲、焊點(diǎn)、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(shí)施方案。這種實(shí)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(gè)來(lái)自 PFC 升壓電感小輔助繞組的非穩(wěn)壓電壓源。
馬達(dá)電路首次通電時(shí)，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(duì)電流進(jìn)行了限制。一段時(shí)間之后（時(shí)間長(zhǎng)短通常取決于 PFC 控制器電路），電流開始流動(dòng)。電流流動(dòng)時(shí)，PFC 控制器開始開關(guān)功率 MOSFET，而 MOSFET 反過來(lái)啟動(dòng)升壓電感中的脈沖電流。然后，這一脈沖電流會(huì)在輔助繞組上產(chǎn)生一個(gè)浮動(dòng)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(wú)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(jī)架），而 NTC 無(wú)法做到這一點(diǎn)。這種散熱能力可使器件在更適宜的環(huán)境下運(yùn)行，從而實(shí)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(lái)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(shí)間設(shè)定通常無(wú)關(guān)緊要。工作頻率僅為 40 kHz 的 PFC 電路將確保 SCR 的零交叉開關(guān)，使其更像橋接中的簡(jiǎn)單整流器。
圖 3 顯示了業(yè)界首款單芯雙相交錯(cuò)式 PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器——TI UCC28070 的簡(jiǎn)化原理圖。交錯(cuò)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(cuò)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、體積更小的元件是嵌入式馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路的理想解決方案。交錯(cuò)式 PFC 可滿足非常高的功率密度要求。
圖 3 PFC 控制器中的浪涌控制功能
由于功耗分散到兩個(gè)相位上，所以交錯(cuò)式 PFC 其他的優(yōu)點(diǎn)還包括更輕松的散熱管理。因?yàn)閮蓚€(gè)相位的總電感容量比單級(jí)設(shè)計(jì)要小很多（請(qǐng)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(yùn)行速度自然會(huì)更快，這樣則可進(jìn)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(jì)提高了各相位配套器件的購(gòu)買力。
圖 4 UCC28070 兩相交錯(cuò)式 PFC
UCC28070 以連續(xù)導(dǎo)電模式 (CCM) 運(yùn)行。同時(shí)，也可選用 UCC28060——以轉(zhuǎn)移模式 (TM) 運(yùn)行。UCC28060 具備類似的優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)源于波紋電流的消除，但是同時(shí)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(yùn)行時(shí)，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(jì)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(gè)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(cuò)式 PFC 控制器等器件，這些控制器額外配置了一個(gè)功能模塊，其可同時(shí)監(jiān)控 PFC 控制器的輸入端和輸出端。如果功能模塊監(jiān)測(cè)到存在著浪涌電流條件，比如線電壓中出現(xiàn)瞬時(shí)損耗，它將限制柵極電路驅(qū)動(dòng)輸出，從而阻止 MOSFET 開關(guān)，并關(guān)閉 SCR 柵極驅(qū)動(dòng)電路的電源。這樣，浪涌成分就會(huì)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(shí)，許多設(shè)計(jì)人員都傾向于電流通道路徑的選擇方案。部分設(shè)計(jì)人員傾向于走通過多種使用功能的實(shí)施來(lái)降低系統(tǒng)的復(fù)雜性并能夠加速上市時(shí)間的器件應(yīng)用之路。比如，當(dāng)添加馬達(dá)控制算法（如現(xiàn)場(chǎng)型控制）時(shí)，TI 推出的 C2000 數(shù)字信號(hào)控制器 (DSC) 就可以取代傳統(tǒng)用于動(dòng)作控制的微控制器。當(dāng)采用尺寸更小的電源電子器件時(shí)，可以提高效率。C2000 數(shù)字信號(hào)控制器除了能與各種 PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兼容外（包括交錯(cuò)式 PFC），它還能同時(shí)實(shí)施所有必需的三相馬達(dá)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(hào)處理器 (DSP) 上實(shí)現(xiàn)。
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