傳(chuan)統(tong)二(er)極(ji)管(guan)整(zheng)流(liu)橋(qiao)是(shi)最(zui)常(chang)用(yong)的(de)交(jiao)流(liu)電(dian)壓(ya)整(zheng)流(liu)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。整(zheng)流(liu)橋(qiao)後(hou)麵(mian)經(jing)常(chang)會(hui)增(zeng)加(jia)一(yi)個(ge)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)控(kong)製(zhi)器(qi)，以(yi)確(que)保(bao)市(shi)電(dian)電(dian)流(liu)的(de)波(bo)形(xing)近(jin)似(si)於(yu)正(zheng)弦(xian)波(bo)。不(bu)過(guo)，二(er)極(ji)管(guan)整(zheng)流(liu)橋(qiao)無(wu)法(fa)控(kong)製(zhi)湧(yong)流(liu)。用(yong)兩(liang)個(ge)可(ke)控(kong)矽(gui)整(zheng)流(liu)管(guan)(SCR)替代兩個二極管，新的控製型整流橋可以限製連接市電時的湧流。

 

本文提出幾個前端拓撲以及一些與混合式整流橋和有效防止過壓相關的設計技巧。實驗結果證明，4 kV至6 kV浪湧電壓耐受設計是很容易實現的，而且成本也不高。

 

 

二極管整流橋的缺點是無法控製浪湧電流，這是因為在插入市電插座時，直流輸出電容會突然充電。

 

強湧流可能會給係統帶來很多問題
，例如，保險失效
、二極管等元件損壞，同時還會在電網上產生過多的電流應力。如果不對湧流加以限製，啟動電流上升速率很快，很容易達到穩態電流的10-20倍bei，因yin此ci，必bi須xu提ti高gao線xian路lu元yuan器qi件jian的de參can數shu
，使shi其qi能neng夠gou短duan時shi間jian傳chuan輸shu大da電dian流liu。此ci外wai，線xian路lu電dian流liu突tu然ran提ti升sheng將jiang會hui導dao致zhi電dian壓ya驟zhou降jiang，電dian壓ya波bo動dong將jiang會hui降jiang低di其qi它ta負fu載zai的de輸shu入ru功gong率lv。連lian接jie在zai同tong一yi條tiao線xian路lu的de燈deng具ju或huo顯xian示shi屏ping將jiang會hui忽hu明ming忽hu暗an，出chu現xian閃shan爍shuo或huo閃shan屏ping現xian象xiang。為wei避bi免mian這zhe些xie有you害hai現xian象xiang，IEC 61000-3-3電磁標準規定了最大容許電壓波動和最大容許湧流。

 

為了達到這個標準要求，常用限流方法是采用一個阻值固定的電阻器或一個熱敏電阻器 (圖1 a中的RLIM)限製電容器湧流。熱敏電阻器通常具有負溫度係數特性(NTC)，因yin此ci，熱re敏min電dian阻zu在zai低di溫wen即ji啟qi動dong時shi阻zu抗kang大da，穩wen態tai時shi阻zu抗kang小xiao。為wei了le在zai穩wen態tai時shi控kong製zhi電dian阻zu本ben身shen消xiao耗hao的de功gong率lv

，需xu要yao選xuan用yong低di阻zu值zhi的de電dian阻zu器qi。一yi個ge更geng好hao的de解jie決jue辦ban法fa是shi給gei電dian阻zu並bing聯lian一yi個ge開關
，構成一個旁路，在穩態時接通開關，電流繞過電阻。

 

這種旁路開關通常采用機械繼電器(圖1 a中的S2 )。這個解決方案的缺點是RLIM電阻始終連接市電線路
，即使應用設備進入待機模式，也照常給二極管整流橋供電。因為直流電容器(C)仍然處於充電狀態
，所以存在待機功率損耗。為降低功率損耗
，有必要給市電線路串聯一個開關(圖1 a中的S1)，該開關在設備進入待機模式時開路
，這樣就能斷開二極管整流橋與線路的連接。

 

混合式整流橋是一個更加智能的湧流限製解決方案，如圖1b所示。利用可控矽整流管(SCR) 的de漸jian進jin式shi軟ruan啟qi動dong，向xiang輸shu出chu電dian容rong慢man速su充chong電dian，從cong而er實shi現xian對dui湧yong流liu的de限xian製zhi。在zai線xian路lu電dian壓ya的de每mei半ban個ge周zhou期qi結jie束shu時shi激ji活huo可ke控kong矽gui整zheng流liu管guan，這zhe時shi施shi加jia到dao電dian容rong器qi的de電dian壓ya被bei降jiang低di。通tong過guo逐zhu漸jian降jiang低di可ke控kong矽gui整zheng流liu管guan導dao通tong延yan時shi，延yan長chang可ke控kong矽gui整zheng流liu管guan導dao通tong時shi間jian，以yi此ci提ti高gao直zhi流liu電dian容rong器qi上shang的de施shi加jia的de電dian能neng。

 

如果給線路串聯一個電感器(圖1b中的L)，這(zhe)個(ge)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)就(jiu)會(hui)奏(zou)效(xiao)。在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)，這(zhe)個(ge)電(dian)感(gan)器(qi)是(shi)免(mian)費(fei)的(de)

，因(yin)為(wei)基(ji)於(yu)直(zhi)流(liu)橋(qiao)的(de)應(ying)用(yong)多(duo)數(shu)都(dou)有(you)開(kai)關(guan)式(shi)電(dian)源(yuan)或(huo)電(dian)機(ji)變(bian)頻(pin)器(qi)，不(bu)管(guan)是(shi)哪(na)一(yi)種(zhong)，都(dou)需(xu)要(yao)一(yi)個(ge)高(gao)頻(pin)開(kai)關(guan)濾(lv)波(bo)器(qi)。多(duo)數(shu)EMI濾波器都有一個共模電感器，產生雜散差分式電感。

 

這個解決方案還需要一個輔助電源，用於在直流輸出電容器充電前給微控製器供電，確保可控矽整流管的軟啟動操作。

 

圖1: 基於電阻器和繼電器的電湧限流電路 (a)和基於混合整流橋的電湧限流電路(b)

 

yinci，zhegexianzhiyongliubingkongzhidaijisunhaozhengtifanganshiyonglianggekekongguizhengliuguantidaiyigexianliudianzuqihelianggejidianqi。yujixiejidianqijishuxiangbi，bandaotigutaijidianqichengbendilian，bingkefulejixiejidianqidexialiequedian：

 

·線圈導致的控製電流消耗大

 

·機械振動導致的開關開路

 

·機械觸點產生的聲學噪聲

 

·在易燃環境引起火災(開關電弧)

 

·可靠性低(在高直流電壓或電流時的繼電器開關操作)

 

 

像二極管整流橋一樣，混合式整流橋也與市電插座直接相連，如果有浪湧電壓
，很可能會燒毀整流橋和PFC芯片(例如，圖1中的旁通二極管D4)。

 

按照IEC61000-4-5標準描述的抗浪湧衝擊實驗步驟，必須施加不同相角的正負浪湧電壓。

 

 

我們在90°相角施加4KV正浪湧電壓
，如圖2的示意圖所示 (無PFC)。為模擬最惡劣的應用環境，我們為L選用一個2 µH電感，C是一個100 µF電容。可控矽整流管是兩個50A的TN5050H-12WY，而D1、D2和D4二極管(PFC旁通二極管)是STBR6012-Y整流管。

 

在 90°相角時，T1和D1導通。浪湧提高電流，並致使D4導通，因為PFC電感保持電壓。浪湧電流旁通二極管D4
，避免燒毀PFC續流二極管(D3)。

 

圖2: 正浪湧電壓期間的過流應力(示意圖
，D4是PFC旁通二極管)

 

如圖2所示
，在浪湧期間
，T1電流峰值達到1730 A (D1和D4電流也同樣達到這個數值)。電流脈寬相當於30 µs長的半正弦波。這個電流應力數值遠遠低於STBR6012-Y和 TN5050H-12WY的承受範圍。

 

如果施加的湧流高於可控矽整流管或二極管的電流耐受能力範圍
，有兩種方法可以降低過流（兩種方法可一起使用):

 

·提高差分電感的方法雖然有助於降低峰值電流，但也會使過流脈寬小幅提高。

 

·在線路輸入端加一個變阻器

，有助於降低電路受到的峰壓衝擊，同時也會降低過流。

 

如圖2所示所示

，浪湧電流將VDC 輸出電壓提升到650 V。這個電壓反向施加到T2(因為當T1導通時，二極管D1也同時導通) 和D2。因此，必須使用至少800 V的器件，TN5050H-12WY和STBR6012-Y是1200 V，電壓裕度很高。

 

如(ru)果(guo)反(fan)向(xiang)電(dian)壓(ya)超(chao)出(chu)可(ke)控(kong)矽(gui)整(zheng)流(liu)管(guan)或(huo)二(er)極(ji)管(guan)的(de)耐(nai)受(shou)範(fan)圍(wei)，用(yong)一(yi)個(ge)電(dian)容(rong)值(zhi)更(geng)大(da)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)或(huo)內(nei)部(bu)寄(ji)生(sheng)效(xiao)應(ying)很(hen)低(di)的(de)電(dian)容(rong)串(chuan)聯(lian)一(yi)個(ge)電(dian)阻(zu)器(qi)，可(ke)以(yi)更(geng)有(you)效(xiao)地(di)控(kong)製(zhi)浪(lang)湧(yong)電(dian)壓(ya)。

 

 

如果施加的負浪湧電壓是90°相角，混合式整流橋的工作方式就有點複雜了。

 

圖3所示給出了這種情況的電路通斷序列：

 

·A階段：在浪湧施加前混合式整流橋正常工作，VAC 是正電壓，T1和D1導通，線路電流(IL, 綠色虛線)從L流至N，途經T1、D1和輸出電容。

 

·B階段：施加負浪湧電壓
，因此VAC 極性變負
，這意味著
，負電流（紅色虛線）將從N流至L。

 

·C階段：在VAC 電壓變負後，線路電流下降。當IL 電流過零時
，D1關斷。這意味著，現在整個線路電壓被施加到T2 (VT2 紅色箭頭)。

 

C階段必須謹慎處理。實際上，如果電壓高於可控矽整流管的擊穿電壓


，器件可能被燒毀。

 

圖3: 90°負浪湧電壓測試混合整流橋的工作序列

 

 

在可控矽整流管的陽極和柵極之間連接一個過壓保護器件Transil(圖4)，可以防止T2在C階段被燒毀。在C階段，電壓將會上升到Transil的擊穿電壓(VBR)，觸發 Transil二極管導通，向可控矽整流管柵極施加電流。然後，可控矽整流管導通。圖4描述了這種操作:

 

·A階段：在第1點結束，VAC 電壓變負。

 

·B階段：在第2點結束，線路電流電壓過零。

 

·C階段：T2在第3點導通，電壓高於Transil擊穿電壓，施加到T2的電壓最大值被限製在430 V。然後D2也導通
，施加浪湧，給輸出電容充電。

 

·D階段在第4點後開始。浪湧電流通過T2、D2和D4施加到輸出電容。T1和D1關斷

 

圖4: 基於TN5050H-12WY可控矽整流管的混合式整流橋90°1 kV負浪湧電壓測試

 

我們在測試中選用一個1,5KE400CA的Transil二極管。這個二極管可將鉗位電壓的峰值限製到一個極低的水平( 430 V)，這一點特別重要。在C階段，D1上的負電壓絕對值是VT2與VDC之和。如果輸出直流電壓是325V
，則D1上的負電壓最大值是755 V(在STBR6012-Y的容許範圍內)。電壓值更高的Transil或低電能Transil(1,5KE400CA是一個1500 W Transil)將會引起更高的鉗位電壓，導致更高的電壓施加到D1上。

 

在T2的柵極與陰極之間連接的電阻器用於分流Dz transil 二極管輸出的電流
，避免dV/dt引起的雜散觸發。

 

 

如果不想讓可控矽整流管在電壓高於430V時導通，或者當可控矽整流管被Transil觸發時
，如果浪湧電流高於SCR ITSM 值，我們還有一個解決辦法，即在整流橋輸入端，將Transil二極管改為電壓抑製器，例如，金屬氧化物變阻器(圖4中的綠色虛線)。變阻器置於EMI濾波器之後
，濾波器阻抗(特別是共式扼流圈的差分式電感)可以限製變阻器吸收電流。

 

並聯多個變阻器以更好地限製浪湧電壓，避免在施加90°相角負浪湧電壓時T2導通(在施加270°相角正浪湧電壓時T1導通)。

 

浪湧電壓耐受能力取決於變阻器的能否將浪湧電壓限製在T1/T2可控矽整流管的VDSM/VRSM 和 D1/D2二極管的VRRM以下。可控矽整流管過流不再一個難題。例如，並聯四個385 V 14 mm 金屬氧化物變阻器(MOV)，連接一個典型的EMI濾波器

，當浪湧電壓達到 6 kV 時，混合式整流橋的電壓限製在1100V，遠遠低於TN5050H-12WY VDSM的擊穿電壓和STBR6012-Y整流管的擊穿電壓。因此，該電路典型情況下能夠耐受6 kV浪湧衝擊。

 

 

為什麼選擇這個拓撲?

 

降低功率損耗、外觀尺寸
，同時提高可靠性（相對於繼電器和被動限流器）。

 

用新一代可控矽整流管和前端拓撲實現的穩健的解決方案。