将浪涌电流限制和PFC结合应用于白色家电马达
不具备PFC功能的马达驱动电路前端非常类似于一个开关模式的电源。在这个电源中有一个大容量电容，它将消除整流电源中的直流。当马达驱动电路首次通电时，由于大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，这种情况将产生较大的浪涌电流，以为电容器充电。如果上述浪涌电流未得到控制或限制，那么线路中的电流消耗将迅速飙升，从而超过其正常RMS工作电流（请参阅图1）。这些过大的电流会对保险丝、焊点和电子组件等机械和电气元件造成潜在的损坏或应力。
图1典型的120VAC浪涌电流曲线图
大多数的白色家电的马达制造商都已经选用负温度系数电阻(NTC)来限制浪涌电流。NTC的工作原理非常简单。在低温和初次启动的情况下，NTC是一只高阻抗器件，限流能力非常突出。NTC启动或进入正常运行工作状态片刻后，由于功耗的存在，其温度会升高。随着温度的升高，其电阻显著下降，这样则为电流提供了一条更为顺畅的流经通道。在大多数嵌入式马达驱动电路中，NTC放置在大电流路径中，或是交流侧，抑或是桥接整流器之后（请参阅图2）。
图2典型的浪涌保护电路
采用NTC来限制浪涌的做法存在一些内在的不足之处，这些不足将对嵌入式马达驱动器件的稳定性产生负面的影响。正如前面所述，NTC的效率取决于温度的高低。NTC的温度越高，其效率也就越高。NTC不可用作散热元件，否则它将无法像预想的那样工作。由于功率的消耗，而使其他半导体元件所在区域的环境温度上升。在嵌入式环境中，这一问题更为严重。温度只要升高10oc，半导体的预期寿命或平均无故障时间(MTBF)将缩短50%之多，从而大幅降低马达驱动器件的稳定性。
NTC存在的另一个主要问题就是其热堆积(thermalmass)或时间响应。如果电源电压暂时下降或电源电压长时间严重欠压，而此时大容量电容器又切断对其的有效充电，那么将会引发问题。当线电压恢复正常时，NTC或许还未能获得足够的冷却时间，这样将使其处于低阻抗状态。在这种情况下，由于线电压的恢复而产生比正常情况下更高的浪涌电流，甚至比初次启动时产生的浪涌电流还要高。此时，电路无任何保护措施。这种超乎寻常的大电流会损坏电路中传动系元件，如保险丝、焊点、线迹以及路径中的所有元件。
图3显示了为克服NTC中许多恼人问题的实施方案。这种实施方案就是既可选择固定阻值的电阻，也可选择NTC作为浪涌电阻。这里所阐述的浪涌电路具有两只额外的硅控整流器(SCR)和一个来自PFC升压电感小辅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，然后流至大容量电容器。在该电容器处，浪涌电阻对电流进行了限制。一段时间之后（时间长短通常取决于PFC控制器电路），电流开始流动。电流流动时，PFC控制器开始开关功率MOSFET，而MOSFET反过来启动升压电感中的脉冲电流。然后，这一脉冲电流会在辅助绕组上产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以如下方式布置在电路中：提供一条电流通道，这条通道绕过桥接整流电路中的两只整流器以及浪涌电阻。在电路中无需额外增加串联元件的情况下，上述所选路径即可为电流提供一条非常高效的通道。虽然SCR的正向压降(Vf)比整流二极管稍大，但是固定阻值电阻或NTC等限流组件两端的压降已经消除。此外，SCR散发的热量可由散热片予以消除（经由SCR的机架），而NTC无法做到这一点。这种散热能力可使器件在更适宜的环境下运行，从而实现更高的系统稳定性和MTBF值。
必须选择辅助绕组的匝数比，以确保产生足够的电压来触发各种规定线电压极限下SCR的栅极电路。由于PFC电路的开关频率一般比线路频率高许多，所以栅极电路触发的时间设定通常无关紧要。工作频率仅为40kHz的PFC电路将确保SCR的零交叉开关，使其更像桥接中的简单整流器。
图3显示了业界首款单芯双相交错式PFC预调节器――TIUCC28070的简化原理图。交错双相相互之间的相位差为180，这样则消除了波纹电流，从而可以使用更小的电磁干扰(EMI)滤波器以及外观更小巧的PFC输出电容器。双相交错式拓扑结构、体积更小的元件是嵌入式马达驱动电路的理想解决方案。交错式PFC可满足非常高的功率密度要求。
图3PFC控制器中的浪涌控制功能
由于功耗分散到两个相位上，所以交错式PFC其他的优点还包括更轻松的散热管理。因为两个相位的总电感容量比单级设计要小很多（请参阅图4），所以可以使用外观更小巧的EMI滤波器和PFC输出电容器以及更少的磁性材料，从而降低总体系统成本。另外，MOSFET和二极管额定电流值可至少降低50%。体积更小的MOSFET运行速度自然会更快，这样则可进一步减少MOSFET的开关损耗。最后，通过将每一相位的容量翻番，规模经济提高了各相位配套器件的购买力。
图4UCC28070两相交错式PFC
UCC28070以连续导电模式(CCM)运行。同时，也可选用UCC28060――以转移模式(TM)运行。UCC28060具备类似的优点，这些优点源于波纹电流的消除，但是同时还提供了一些较低成本的解决方案。最引人瞩目的是，由于在转移模式下运行时，不存在反向恢复条件，所以采用低成本的升压二极管。
在UCC28070或其设计中集成浪涌电流限制功能，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即可。
TI的PFC控制器的产品系列包括UCC28070或UCC28060交错式PFC控制器等器件，这些控制器额外配置了一个功能模块，其可同时监控PFC控制器的输入端和输出端。如果功能模块监测到存在着浪涌电流条件，比如线电压中出现瞬时损耗，它将限制栅极电路驱动输出，从而阻止MOSFET开关，并关闭SCR栅极驱动电路的电源。这样，浪涌成分就会自然而然的被退回到大电流通道。
总结
当谈到白色家电应用的系统集成时，许多设计人员都倾向于电流通道路径的选择方案。部分设计人员倾向于走通过多种使用功能的实施来降低系统的复杂性并能够加速上市时间的器件应用之路。比如，当添加马达控制算法（如现场型控制）时，TI推出的C2000数字信号控制器(DSC)就可以取代传统用于动作控制的微控制器。当采用尺寸更小的电源电子器件时，可以提高效率。C2000数字信号控制器除了能与各种PFC拓扑结构兼容外（包括交错式PFC），它还能同时实施所有必需的三相马达控制功能、处理系统内部通信、提供用户界面以及提供所述的浪涌电流限制控制功能。所有这些功能都可在一片C2000数字信号处理器(DSP)上实现。
基尔霍夫电流相关文章:基尔霍夫电流定律
红外热像仪相关文章:红外热像仪原理
评论