將浪涌電流限制和PFC 結合應用于白色家電馬達

　　NTC 存在的另一個主要問題就是其熱堆積(thermal mass) 或時間響應。如果電源電壓暫時下降或電源電壓長時間嚴重欠壓，而此時大容量電容器又切斷對其的有效充電，那么將會引發(fā)問題。當線電壓恢復正常時，NTC 或許還未能獲得足夠的冷卻時間，這樣將使其處于低阻抗狀態(tài)。在這種情況下，由于線電壓的恢復而產(chǎn)生比正常情況下更高的浪涌電流，甚至比初次啟動時產(chǎn)生的浪涌電流還要高。此時，電路無任何保護措施。這種超乎尋常的大電流會損壞電路中傳動系元件，如保險絲、焊點、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施方案。這種實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) 和一個來自PFC 升壓電感小輔助繞組的非穩(wěn)壓電壓源。

　　馬達電路首次通電時，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，浪涌電阻對電流進行了限制。一段時間之后（時間長短通常取決于PFC 控制器電路），電流開始流動。電流流動時，PFC 控制器開始開關功率MOSFET，而MOSFET 反過來啟動升壓電感中的脈沖電流。然后，這一脈沖電流會在輔助繞組上產(chǎn)生一個浮動非穩(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 的機架），而NTC 無法做到這一點。這種散熱能力可使器件在更適宜的環(huán)境下運行，從而實現(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 電路的開關頻率一般比線路頻率高許多，所以柵極電路觸發(fā)的時間設定通常無關緊要。工作頻率僅為40 kHz 的PFC 電路將確保SCR 的零交叉開關，使其更像橋接中的簡單整流器。

　　圖3 顯示了業(yè)界首款單芯雙相交錯式PFC 預調節(jié)器——TI UCC28070 的簡化原理圖。交錯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。雙相交錯式拓撲結構、體積更小的元件是嵌入式馬達驅動電路的理想解決方案。交錯式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相位上，所以交錯式PFC 其他的優(yōu)點還包括更輕松的散熱管理。因為兩個相位的總電感容量比單級設計要小很多（請參閱圖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 運行速度自然會更快，這樣則可進一步減少MOSFET 的開關損耗。最后，通過將每一相位的容量翻番，規(guī)模經(jīng)濟提高了各相位配套器件的購買力。

　　圖4 UCC28070 兩相交錯式PFC

　　UCC28070 以連續(xù)導電模式(CCM) 運行。同時，也可選用UCC28060——以轉移模式(TM) 運行。UCC28060 具備類似的優(yōu)點，這些優(yōu)點源于波紋電流的消除，但是同時還提供了一些較低成本的解決方案。最引人矚目的是，由于在轉移模式下運行時，不存在反向恢復條件，所以采用低成本的升壓二極管。

　　在UCC28070 或其設計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 交錯式PFC 控制器等器件，這些控制器額外配置了一個功能模塊，其可同時監(jiān)控PFC 控制器的輸入端和輸出端。如果功能模塊監(jiān)測到存在著浪涌電流條件，比如線電壓中出現(xiàn)瞬時損耗，它將限制柵極電路驅動輸出，從而阻止MOSFET 開關，并關閉SCR 柵極驅動電路的電源。這樣，浪涌成分就會自然而然的被退回到大電流通道。

　　總結

　　當談到白色家電應用的系統(tǒng)集成時，許多設計人員都傾向于電流通道路徑的選擇方案。部分設計人員傾向于走通過多種使用功能的實施來降低系統(tǒng)的復雜性并能夠加速上市時間的器件應用之路。比如，當添加馬達控制算法（如現(xiàn)場型控制）時，TI 推出的C2000 數(shù)字信號控制器(DSC) 就可以取代傳統(tǒng)用于動作控制的微控制器。當采用尺寸更小的電源電子器件時，可以提高效率。C2000 數(shù)字信號控制器除了能與各種PFC 拓撲結構兼容外（包括交錯式PFC），它還能同時實施所有必需的三相馬達控制功能、處理系統(tǒng)內部通信、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)字信號處理器(DSP) 上實現(xiàn)。