一種控制啟動(dòng)電流的全新電路結(jié)構(gòu)和器件-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯一種控制啟動(dòng)電流的全新電路結(jié)構(gòu)和器件-設(shè)計(jì)應(yīng)用控制啟動(dòng)電流常見的兩種解決方案：一種是在整流器上串入一個(gè)阻抗，另外一種方案是將阻抗與一個(gè)硅通路元件或者機(jī)電繼電器并聯(lián)，再與整流器串連。本文提出了采用先進(jìn)的ASD工藝而制作的全新電路結(jié)構(gòu)和器件，并介紹了基于這一新工藝的新的電路結(jié)構(gòu)及優(yōu)點(diǎn)。AC/DC電源啟動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)高達(dá)系統(tǒng)標(biāo)稱電流50倍的啟動(dòng)電流對(duì)輸入電容充電。該啟動(dòng)電流會(huì)導(dǎo)致主電源上電壓降的產(chǎn)生，從而影響連接到同一個(gè)電源網(wǎng)絡(luò)上的其它設(shè)備的正常工作，甚至熔斷輸入線路熔絲。離線電源的前端如圖1所示，由一個(gè)橋式整流器和一個(gè)大容量濾波電容組成。啟動(dòng)時(shí)對(duì)大容量濾波電容的充電會(huì)在輸入端產(chǎn)生一個(gè)通常稱之為啟動(dòng)電流的浪涌電流。如果不限制這一啟動(dòng)電流，那么輸入熔絲就可能熔斷或者可能觸發(fā)電路保護(hù)斷路器。在這里介紹一種可控硅整流橋，也稱為BSCR的新結(jié)構(gòu)，以及采用先進(jìn)的ASD技術(shù)制作的一種相關(guān)的器件。BSCR結(jié)構(gòu)圖2顯示了一個(gè)BSCR電路，SCR與整流橋中的整流二極管以及限流電阻器之間的連接如圖中所示。啟動(dòng)時(shí)電流會(huì)流經(jīng)整流橋上面的兩個(gè)二極管D1和D2，并受到啟動(dòng)電阻Rinrush的限制。大容量電容器被充電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)類似附屬電源耦合到PFC升壓電感器上，打開并為SCR1和SCR2提供柵極驅(qū)動(dòng)電流。如圖2所示，它也包括一個(gè)PFC變換器，然而沒有PFC變換器BSCR電路也能工作，在這種情況下，附屬電源會(huì)與主變換器耦合。在標(biāo)稱工作情況下，SCR會(huì)旁路整流橋上面的兩個(gè)二極管D1、D2和啟動(dòng)電阻Rinrush，而且AC輸入電流會(huì)通過SCR以及整流橋下面的兩個(gè)二極管D3和D4進(jìn)行整流。同使用雙向可控硅的串連結(jié)構(gòu)或者單個(gè)SCR同整流橋串連的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，BSCR電路的損耗通過傳統(tǒng)二極管橋中的兩個(gè)二極管的等效損耗降低了。提高SCR可靠性能要滿足需要的性能，選擇適合特定應(yīng)用的SCR非常重要。SCR分成兩大系列：敏感柵SCR以及標(biāo)準(zhǔn)器件。敏感柵SCR的柵極觸發(fā)電流大約為幾十微安，而標(biāo)準(zhǔn)SCR的柵極觸發(fā)電流則達(dá)到了幾毫安的范圍。然而柵極敏感度的提高也會(huì)帶來損失，即降低了抗dv/dt變化的能力。SCR以及雙向可控硅非常容易地為加到端口上高的dv/dt所觸發(fā)，并通過器件上的寄生電容將電荷耦合到柵極上。敏感柵SCR可以經(jīng)受陽極陰極之間大約10V/us的dv/dt變化，而標(biāo)準(zhǔn)SCR則可以經(jīng)受更高的dv/dt變化，通常高達(dá)400V/μs。為了提高敏感柵SCR的可靠性，可以在柵極和陰極管腳之間增加一個(gè)外部電容。該電容可以吸收柵極管腳上dv/dt噪聲電壓產(chǎn)生的寄生電流，從而避免任何預(yù)料之外的觸發(fā)脈沖的影響。選擇SCR的另外一個(gè)考慮就是器件反向偏置時(shí)的耗損。這種耗損是由反向泄漏電流以及反向偏置泄漏電流組合引起的，損耗大小正比于柵極電流。在BSCR結(jié)構(gòu)中，SCR由圖5中的恒定電流觸發(fā)。在SCR上施加反向電壓時(shí)，反向偏置泄漏電流Igt-rev正比于SCR中由陰極流向陽極的柵極電流Igt。該電流加入到正常的反向泄漏電流Irev中。因此，流過SCR的總的反向電流Ik可由下式計(jì)算：Ik=Igt-rev+Irev(1)不考慮反向電壓(Vrev)幅度，并假定總的反向電流是恒定的常量，那么SCR的反向損耗可以由下面的等式給出：Prev-loss=Vpeak×Ik/π(2)這里Vpeak是AC主電源的峰值電壓，而Ik是總的反向泄漏電流。將敏感柵SCR(X0802)和標(biāo)準(zhǔn)SCR(TYN808)兩種不同類型SCR泄漏電流測量結(jié)果比較，可以發(fā)現(xiàn)在不同柵極電流Igt情況下總的泄漏反向電流(Ik)與施加到SCR上反向偏置電壓Vrev之間的關(guān)系：在同樣的反向電壓以及相對(duì)應(yīng)的柵觸發(fā)電流的情況下，敏感柵SCR的泄漏電流Ik＝100μA，大約比標(biāo)準(zhǔn)SCR的Ik=9.2mA低100倍左右。因此，敏感柵SCR的反向損耗也要比標(biāo)準(zhǔn)SCR低大約100倍左右。所以，敏感柵SCR總的反向損耗可以忽略不計(jì)。然而，對(duì)于靜態(tài)dv/dt的高度靈敏性使得這些SCR不適合某些特定的應(yīng)用。因此，必須在三個(gè)參數(shù)之間進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜∩幔红o態(tài)dv/dt，柵極電流Igt，以及反向泄漏電流Ik。這些考慮將影響到設(shè)計(jì)中對(duì)于一些新的專屬器件的選擇。平面型ASD技術(shù)新的平面型特殊應(yīng)用離散(ASD)技術(shù)由意法半導(dǎo)體公司研發(fā)，可以在單一的硅片上集成多個(gè)功率離散器件和無源器件，如雙向可控硅、SCR、二極管、晶體管和電阻。該技術(shù)是一種可靠的技術(shù)，可以恰當(dāng)?shù)靥幚砩鲜龅恼壑?。具體地說，用ASD工藝設(shè)計(jì)的SCR在同樣的柵極觸發(fā)電流情況下支持比標(biāo)準(zhǔn)SCR高出三倍的dv/dt。介紹ASD工藝可以在一個(gè)器件中集成專用于啟動(dòng)電流限制功能的兩個(gè)單向開關(guān)。STIL02基于BSCR結(jié)構(gòu)，這種新的器件提供極高的靜態(tài)dv/dt，無需緩沖就可以高出300V/μs的范圍；這兩個(gè)開關(guān)具有小于20mA極低的導(dǎo)通電流，并且總的反向泄漏電流Ik即使在導(dǎo)通電流觸發(fā)的情況下也小于300μA(對(duì)于單個(gè)開關(guān)，在Vrev=400V的條件下)。BSCR電路中STIL02的性能a.抗dv/dt變化的能力加電時(shí)，在變換器的前端位置處會(huì)出現(xiàn)振蕩。這種尖峰脈沖通常都非常窄，并且直接位于跨越整流橋的位置，因而會(huì)在SCR上產(chǎn)生很高的dv/dt。如果柵極太敏感，那么在大容量電容器充電之前dv/dt就可能誤觸發(fā)SCR。如果出現(xiàn)這種情況，由于SCR旁路了電流限制元器件因而啟動(dòng)電流就無法受到限制。圖4顯示出不同類型SCR以及STIL器件的抗dv/dt能力。圖中顯示了包括與不包括柵極到陰極電容(0.1μF)時(shí)敏感柵SCR的抗dv/dt能力。包括這一電容時(shí)，敏感柵SCRX0802的抗dv/dt能力達(dá)到120V/μs。然而，即使在增加了這一電容的情況下，X0802也不能夠滿足高達(dá)280V/μs的dv/dt尖峰脈沖。而只有標(biāo)準(zhǔn)SCR或者STIL02能夠經(jīng)受如此高的dv/dt。b.反向功率損耗的比較下表中列出了由等式2計(jì)算出來的每種器件反向泄漏產(chǎn)生的損耗。使用標(biāo)準(zhǔn)SCR，反向損耗接近900mW，而STILxx或者敏感柵SCR的反向損耗大約降低90倍。c.效率比較測量一個(gè)70W的變換器效率來說明反向柵極電流，以及相應(yīng)的反向功率損耗對(duì)于一個(gè)離線變換器總的性能影響。變換器初是用一個(gè)獨(dú)立的NTC與二極管橋串連在一起。它被修改為圖2中的BSCR結(jié)構(gòu)，并且保留了初的二極管橋和NTC。在不同的系統(tǒng)負(fù)載情況下對(duì)ASD、敏感柵SCR和標(biāo)準(zhǔn)SCR三種不同工藝器件進(jìn)行效率測量。對(duì)測量結(jié)果比較顯示，使用STIL02或者敏感柵SCR的BSCR電路在低的線路電壓以及高負(fù)載的情況下，與使用獨(dú)立NTC的串連結(jié)構(gòu)相比較可以獲得大約1.5%的效率提升。標(biāo)準(zhǔn)SCR同敏感柵SCR或者STIL02相比，無論線路電壓如何，較高的反向電流都將導(dǎo)致超過2%的效率降低。本文