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将浪涌电流限制和PFC联络应用于白色家电马达

宣布时间:2010年09月25日 23:09    宣布者:eetech
要害词: PFC , 白色家电 , 电流 , 浪涌 , 马达
当欧洲强迫请求 80W 及以上的电气负载以高功率因数的要领消耗电路中的电流时,这意味着人类在资源和情形掩护方面又向前迈出了一步。虽然,许多破费类电子产物也由此遭到了影响,其中网罗白色家电。由于装备了逆变器用于电动马达的驱动,以是诸如空调、冰箱、洗衣机和逝世板机之类的许多家电的负载异常严重年夜。浅易而言,严重年夜负载的功率因数都较量低。经由历程强迫校订上述家用电器的功率因数,可更好地应用输电线路送来的电能,从而节约动力并同时降低电能资源和增添熄灭矿物燃料而发生的二氧化碳排放。铛铛代界,许多政府羁系部门都曾经强迫请求在白色家电中要具有类似的 PFC 功效。



不具有 PFC 功效的马达驱动电路前端异常类似于一个开关形式的电源。在这个电源中有一个年夜容量电容,它将扫除整流电源中的直流。当马达驱动电路首次通电时,由于年夜容量电容上没有电荷,整流电源的输入端看起来就像是一个短路电路。当通电时,这类情形将发生较年夜的浪涌电流,以为电容器充电。假定上述浪涌电流未取得控制或限制,那么线路中的电流消耗将迅速飙升,从而逾越其正常 RMS 使命电流(请参阅图 1)。这些过年夜的电流会对保险丝、焊点和电子组件等机械和电气元件组成潜在的破损或应力。  



图 1 尺度的 120VAC 浪涌电流曲线图  

年夜多数的白色家电的马达制造商都曾经选用负温度系数电阻 (NTC) 来限制浪涌电流。NTC 的使命原理异常质朴。在低平和首次启动的情形下,NTC 是一只高阻抗器件,限流才干异常凹陷。NTC 启动或进入正常运转使命状态少焉后,由于功耗的存在,其温度会降低。随着温度的降低,其电阻显着降低,这样则为电流供应了一条越发顺畅的流经通道。在年夜多数嵌入式马达驱动电路中,NTC 放置在年夜电流蹊径中,或是交流侧,抑或是桥接整流器以后(请参阅图 2)。  



图 2 尺度的浪涌掩护电路  

接纳 NTC 来限制浪涌的做法存在一些内在的缺乏的地方,这些缺乏将对嵌入式马达驱动器件的稳固性发生负面的影响。正如前面所述,NTC 的效力取决于温度的曲折。NTC 的温度越高,其效力也就越高。NTC 弗成用作散热元件,否则它将没法像意料的那样使命。由于功率的消耗,而使其他半导体元件所在区域的情形温度上升。在嵌入式情形中,这一效果越发严重。温度只需降低 10oc,半导体的预期寿命或匀称无误差时间 (MTBF) 将延伸 50% 之多,从而年夜幅降低马达驱动器件的稳固性。  

NTC 存在的此外一个主要效果就是其热聚积 (thermal mass) 或时间照顾。假定电源电压暂时降低或电源电压长时间严重欠压,而此时年夜容量电容器又切断对其的有用充电,那么将会激起效果。当线电压恢复正常时,NTC 或许还未能取得足够的冷却时间,这样将使其处于低阻抗状态。在这类情形下,由于线电压的恢复而发生比正常情形下更高的浪涌电流,以致比首次启动时发生的浪涌电流还要高。此时,电路无任何掩护措施。这类超乎寻常的年夜电流会破损电路中传动系元件,如保险丝、焊点、线迹和蹊径中的所有元件。  

图 3 显示了为战胜 NTC 中许多末路人效果的实验妄图。这类实验妄图就是既可选择结实阻值的电阻,也可选择 NTC 作为浪涌电阻。这里所叙述的浪涌电路具有两只特此外硅控整流器 (SCR) 和一个来自 PFC 升压电感小赞助绕组的非稳压电压源。  

马达电路首次通电时,电流首先流经桥接整流器、浪涌电阻,然后流至年夜容量电容器。在该电容器处,浪涌电阻对电流阻拦了限制。一段时间以后(时间是非通常取决于 PFC 控制器电路),电流泉源运动。电流运动时,PFC 控制器泉源开关功率 MOSFET,而 MOSFET 反已往启动升压电感中的脉冲电流。然后,这一脉冲电流会在赞助绕组上发生一个浮动非稳压电压,这一电压用于触发两只 SCR 的栅极电路。两只 SCR 以以下要领部署在电路中:供应一条电流通道,这条通道绕过桥接整流电路中的两只整流器和浪涌电阻。在电路中无需特殊增添勾通元件的情形下,上述所选蹊径便可为电流供应一条异常高效的通道。虽然 SCR 的正向压降 (Vf) 比整流二极管稍年夜,然则结实阻值电阻或 NTC 等限流组件两真个压降曾经扫除。此外,SCR 散发的热量可由散热片予以扫除(经由 SCR 的机架),而 NTC 没法做到这一点。这类散热才干可使器件在更合适的情形下运转,从而完成更高的系统稳固性和 MTBF 值。  

必须选择赞助绕组的匝数比,以确保发生足够的电压来触发种种划定线电压极限下 SCR 的栅极电路。由于 PFC 电路的开关频率浅易比线路频率高许多,以是栅极电路触发的时间设定通常无关紧要。使命频率仅为 40 kHz 的 PFC 电路将确保 SCR 的零交织开关,使其更像桥接中的质朴整流器。  

图 3 显示了业界首款单芯双订交织式 PFC 预调治器——TI UCC28070 的简化原理图。交织双相相互之间的相位差为 180°,这样则扫除波纹电流,从而可以应用更小的电磁滋扰 (EMI) 滤波器和外不雅不雅更小巧的 PFC 输入电容器。双订交织式拓扑结构、体积更小的元件是嵌入式马达驱动电路的理想处置赏罚赏罚妄图。交织式 PFC 可知足异常高的功率密度请求。



图 3 PFC 控制器中的浪涌控制功效  

由于功耗疏散到两个相位上,以是交织式 PFC 其他的优点还网罗更轻松的散热治理。由于两个相位的总电感容量比单级设计要小许多(请参阅图 4),以是可以应用外不雅不雅更小巧的 EMI 滤波器和 PFC 输入电容器和更少的磁性质料,从而降低总系一切资源。另外,MOSFET 和二极管特殊电流值可至少降低 50%。体积更小的 MOSFET 运转速率自然会更快,这样则可进一步增添 MOSFET 的开关消耗。最后,经由历程将每相位的容量翻番,规模经济前进了各相位配套器件的购置力。  



图 4 UCC28070 两订交织式 PFC  

UCC28070 以一连导电形式 (CCM) 运转。同时,也可选用 UCC28060——以转移形式 (TM) 运转。UCC28060 具有类似的优点,这些优点源于波纹电流的扫除,然则同时还供应了一些较低资源的处置赏罚赏罚妄图。最引人注目的是,由于在转移形式下运转时,不存在反向恢复条件,以是接纳低资源的升压二极管。  

在 UCC28070 或其设计中集成浪涌电流限制功效,只需将图 3 中的浪涌电流组件添加到其中的一个相位电感上便可。  

TI 的 PFC 控制器的产物系列网罗 UCC28070 或 UCC28060 交织式 PFC 控制器等器件,这些控制器特殊装备了一个功效模块,其可同时监控 PFC 控制器的输入端和输入端。假定功效模块监测到存在着浪涌电流条件,好比线电压中泛起瞬时消耗,它将限制栅极电路驱动输入,从而阻挡 MOSFET 开关,并关闭 SCR 栅极驱动电路的电源。这样,浪涌因素就会天可是然的被退回到年夜电流通道。  

总结  

当谈到白色家电应用的系统集成时,许多设计职员都偏向于电流通门蹊径的选择妄图。部门设计职员偏向于走经由历程多种应用功效的实验来降低系统的严重年夜性并能够加速上市时间的器件应用之路。好比,当添加马达控制算法(如现场型控制)时,TI 推出的 C2000 数字旌旗暗记控制器 (DSC) 便可以取代传统用于行动控制的微控制器。当接纳尺寸更小的电源电子器件时,可以前进效力。C2000 数字旌旗暗记控制器除能与种种 PFC 拓扑结构兼容外(网罗交织式 PFC),它还能同时实验所有必须的三相马达控制功效、处置赏罚赏罚系统外部通讯、供应用户界面和供应所述的浪涌电流限制控制功效。所有这些功效都可在一片 C2000 数字旌旗暗记处置赏罚赏罚器 (DSP) 上完成。
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