浪涌電流對(duì)電源造成限制，并由于加電時(shí)初始電流的巨大浪涌造成過應(yīng)力而影響可靠性。限制浪涌電流的已知解決方案 [1]、[2] 需要電阻器或傳統(tǒng)的 NTC 熱敏電阻，這會(huì)導(dǎo)致顯著的功率損耗并降低效率。
　　我們的方法 [3] 說明了數(shù)字功率控制的優(yōu)點(diǎn)，克服了現(xiàn)有技術(shù)的許多缺點(diǎn)，并提高了人們對(duì)高功率轉(zhuǎn)換器數(shù)字控制的興趣，從而刺激了下一代這些設(shè)備的開發(fā)。 IXYS 的高功率數(shù)字浪涌電流控制器 (HPDICC) 是開發(fā)這種新方法的第二步，已針對(duì)高達(dá) 10A 的負(fù)載電流進(jìn)行了測(cè)試。工業(yè)AC-DC、DC-AC電源，例如額定值≤5kW的電池充電器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和太陽能逆變器，可以實(shí)施這種設(shè)計(jì)來控制大浪涌電流。
　　IXYS 高功率數(shù)字浪涌電流控制技術(shù)擴(kuò)展到高電流水平，同時(shí)還引入了具有單片集成電流感應(yīng)鏡和兩個(gè)溫度感應(yīng)二極管的大電流功率 MOSFET (MMIX1T132N50P3)。該設(shè)計(jì)利用 Zilog 的 8 位 Z8F3281 MCU 和其他 IXYS 組件，例如整流器和驅(qū)動(dòng)器 IC。
　　主要優(yōu)勢(shì)
　　高功率數(shù)字浪涌電流控制器具有以下優(yōu)點(diǎn)：
　　高效解決方案，包含少量組件，預(yù)充電完成后可重復(fù)用于其他目標(biāo)；例如，在 PFC/升壓轉(zhuǎn)換器中，將使用相同的電感器、輸出電容器和 MCU。
　　可擴(kuò)展設(shè)計(jì)，可通過更換一些關(guān)鍵組件并進(jìn)行少量軟件修正來調(diào)整至所需的浪涌電流。
　　易于復(fù)制的設(shè)計(jì)，無需從一個(gè)樣品到另一個(gè)樣品進(jìn)行任何調(diào)整即可獲得預(yù)期結(jié)果和最大效率?！　≡摾擞靠刂破鹘?jīng)過測(cè)試，負(fù)載電流高達(dá) 10A。由于設(shè)計(jì)中使用的功率MOSFET的額定電流為120A并且不存在用于主電流的串聯(lián)電流檢測(cè)電阻，因此負(fù)載電流可能會(huì)大幅增加。為了將負(fù)載電流增加到超過 10A，設(shè)計(jì)人員需要更改電流鏡傳感器電阻器、橋式整流器和電感器，以與增加的額定電流兼容。

　　圖 1 顯示了一個(gè)電路原理圖，其中的關(guān)鍵思想是以相等的增量向大容量電容器提供電荷。電容器 (C) 由根據(jù)時(shí)間相關(guān)脈沖序列驅(qū)動(dòng)的功率 MOSFET (SW1) 充電。脈沖序列設(shè)計(jì)用于在電容器上提供相等的電壓增量，并在每個(gè)周期將充電電流峰值保持在大約相同的值。周期數(shù)取決于電容器的值，該值根據(jù)輸出端紋波電壓的所需幅度進(jìn)行選擇。充電電流是脈沖數(shù)量和相對(duì)于整流正弦波的定時(shí)位置的函數(shù)。

　　圖 2 顯示了 SW1 的典型脈沖序列。如果我們考慮 N 個(gè)周期進(jìn)行浪涌控制，那么我們可以將半整流正弦波的歸一化幅度分成 N 段，增量為 1/N。在周期 1 期間，SW1 從時(shí)間戳 t1 到 T 處于 ON（導(dǎo)通）狀態(tài)，允許電容器 C 充電至與歸一化值 1/N 成比例的電壓。充電電流不會(huì)立即上升，因?yàn)樗谴?lián)LC諧振電路中的電流。這將電流波形塑造為諧振波形。電流不斷上升，直到電容器電壓達(dá)到輸入電壓。
　　　　圖 1：數(shù)字浪涌控制器的電路原理圖
　　　圖 2：數(shù)字浪涌控制時(shí)序
　　然后電流繼續(xù)其諧振行為，因?yàn)?SW1 仍在導(dǎo)通。由于輸入電壓低于電容器上的電壓，因此不再發(fā)生振蕩，然后 SW1 關(guān)閉（不導(dǎo)通）。電容器保持預(yù)充電至與 1/N 成比例的電壓。在周期 2 中，電容器 C 通過另一個(gè)電壓增量 1/N 進(jìn)行預(yù)充電，過程與周期 1 類似。電容器 C 被充電 N 個(gè)周期，達(dá)到與輸入線電壓成比例的電壓值。
　　工作原理
　　該浪涌控制器采用[3]中描述的基本工作原理。該參考設(shè)計(jì)的主要區(qū)別在于使用了具有更高額定功率的組件以及控制負(fù)載電容器預(yù)充電的脈沖串的適當(dāng)變化。脈沖串旨在將預(yù)充電電流限制在所用組件額定值可接受的水平。在此特定設(shè)計(jì)中，限制組件是電感器 AGP4233-223ME，在 20% 電感降時(shí)額定電流為 35.4 A。
　　每個(gè)預(yù)充電脈沖的定時(shí)位置由以下公式給出：　Ton(i)=Tπ2?asin(iN)，“其中”i=1...N　　相鄰脈沖的定時(shí)位置的增量定義了施加到大容量電容器的充電電壓的幅度。增加脈沖數(shù) N 會(huì)減少增量，從而減少充電電壓的階躍。在此示例中，N= 255，導(dǎo)致電流限制為 34 A，電容器值為 3000 ?F。
　　電容器的電壓和充電電流曲線圖如圖3所示。預(yù)充電電流的幅度在充電周期結(jié)束時(shí)下降，而電容器的電壓線性上升。它由電流脈沖相對(duì)于整流電壓的半正弦波形的定時(shí)位置確定。在充電周期結(jié)束時(shí)，預(yù)充電脈沖的持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，電流幅度更小，這在大容量電容器上產(chǎn)生了與開始時(shí)相同的電荷，并且導(dǎo)致整個(gè)周期期間電容器的電壓階躍相同。
　　　圖 3：電容器上的電壓和預(yù)充電電流。圖例：綠色 – 電容器上的電壓 (50V/div)，洋紅色 – 預(yù)充電電流 (5A/div)，x 軸：過載保護(hù)時(shí)間
　　為了顯示 IXYS 電源組件的功能，該設(shè)計(jì)包括負(fù)載 ON/OFF 開關(guān) U3（參見圖 6）、過載保護(hù)功能和電源良好狀態(tài)輸出。負(fù)載開關(guān)激活是可編程的，并且在電容器C預(yù)充電完成后啟用。在當(dāng)前的參考設(shè)計(jì)中，負(fù)載開關(guān)通過電源良好狀態(tài)信號(hào)激活。
　　過載保護(hù)是一項(xiàng)關(guān)鍵功能，可保護(hù)設(shè)備在過載期間免遭損壞。過載閾值是可編程的，在當(dāng)前參考設(shè)計(jì)中設(shè)置為 12A。

　

　　圖 4：(a) 充電序列開始時(shí)的預(yù)充電電流和圖 4(b) 充電周期結(jié)束時(shí)的預(yù)充電電流。圖例：綠色 – 電容器上的電壓 (50V/div)，洋紅色 – 預(yù)充電電流 (5A/div)，x 軸：500ms/div
　　如果比較器檢測(cè)到過載，MCU 會(huì)通過關(guān)閉 U2 和 U3 開關(guān)來斷開負(fù)載。
　　過載保護(hù)可針對(duì)兩種操作模式進(jìn)行編程：
　　立即關(guān)閉設(shè)備并等待用戶操作
　　如果短路發(fā)生重復(fù)，允許設(shè)備在短路發(fā)生預(yù)定次數(shù)后重新啟動(dòng)
　　在第二種操作模式中，重新啟動(dòng)之間的延遲和重新啟動(dòng)的次數(shù)是可編程的。在本參考設(shè)計(jì)中，延遲時(shí)間設(shè)置為1.5秒，重啟次數(shù)設(shè)置為4次。
　　電源良好狀態(tài)激活是可編程的。在此參考設(shè)計(jì)中，電容器預(yù)充電完成后延遲了 2 個(gè)周期。如果檢測(cè)到過載情況，則不會(huì)設(shè)置電源正常狀態(tài)。
　　硬件實(shí)現(xiàn)
　　該浪涌電流控制器由 MCU 模塊和主電源板組成，如圖 5 所示。詳細(xì)電路原理圖如圖 6 所示。MCU 模塊作為附加設(shè)備實(shí)現(xiàn)，帶有用于 MCU 編程的連接器。應(yīng)在為整個(gè)系統(tǒng)供電之前對(duì) MCU 進(jìn)行編程。 MCU 模塊由輔助電源供電：+3.3V 用于 MCU，12V 用于柵極驅(qū)動(dòng)器，應(yīng)用于主電源板上的連接器 J4。
　　圖 6(a)：MCU 模塊原理圖
　　主電源板由多個(gè)組件組成，包括二極管橋 BR1、功率 MOSFET U2 和 U3，如圖 6 (b) 所示。 MOSFET U2電流鏡用作電容器充電/放電電流測(cè)量的信號(hào)源，因此主電流路徑中沒有電流檢測(cè)電阻，從而提高了系統(tǒng)效率。在輸出功率為 3000 W 時(shí)，這些 MOSFET 的功耗小于 5 W。該板可由 50 Hz 或 60 Hz 120V 或 240V 交流電源供電。
　　測(cè)試數(shù)字浪涌控制器
　　該設(shè)計(jì)經(jīng)過編程，其性能在測(cè)試臺(tái)上得到驗(yàn)證。交流線路輸入通過 2 kW 隔離變壓器饋送，以保護(hù)操作員和測(cè)試設(shè)備。 正常運(yùn)行期間負(fù)載設(shè)置為 10A。為了測(cè)試過載情況，添加了額外的負(fù)載以將負(fù)載電流增加到 12A。瞬時(shí)連接額外負(fù)載足以觸發(fā)過載保護(hù)。持續(xù)過載導(dǎo)致多次嘗試重新啟動(dòng)設(shè)備，并在負(fù)載電流達(dá)到 12A 閾值后立即中斷。圖 7 描繪了正常操作時(shí)從示波器獲取的實(shí)際波形。
　　浪涌電流（紅線）限制為 16A。藍(lán)線顯示 U2 柵極處的信號(hào)。浪涌過程完成后，柵極被設(shè)置為高電平以保持U2導(dǎo)通。然后將負(fù)載連接到預(yù)充電電容器。連接負(fù)載后，由于隔離變壓器和電網(wǎng)的阻抗，整流電壓會(huì)出現(xiàn)下降。
　　正常操作從大容量電容器的預(yù)充電開始。當(dāng) MCU 檢測(cè)到過載情況時(shí)，正常操作會(huì)中斷，U2 和 U3 開關(guān)會(huì)關(guān)閉。每隔 1.5 秒就會(huì)嘗試重新啟動(dòng)設(shè)備。如果過載情況持續(xù)，設(shè)備將再次關(guān)閉。嘗試次數(shù)是可編程的，在此設(shè)計(jì)中設(shè)置為 4 次嘗試。
　　負(fù)載功率為1kW時(shí)，測(cè)得HPDICC的效率為99.4%，功率損耗為6W。功率損耗是從二極管整流器到負(fù)載計(jì)算的。
　　　圖 6 (b)：主電源板
　　應(yīng)用領(lǐng)域
　　該浪涌控制器可用于開發(fā)多種應(yīng)用，包括用于重型無刷電機(jī)的 AC-DC 整流器、航空航天應(yīng)用中使用的自耦變壓器整流器 (ATRU) 和變壓器整流器單元 (TRU)、高功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、A??C-數(shù)據(jù)中心直流電源、電池充電電源。它還可以集成在高電容負(fù)載中，例如以并聯(lián)運(yùn)行模式運(yùn)行的 AC-DC 電源。
　　　圖 7：數(shù)字浪涌電流控制的示波器快照。圖例：紅色 – 電源線電流 (10A/div)，綠色 – 負(fù)載電壓 (50V/div)，洋紅色 – 電源正常狀態(tài)信號(hào) (1V/div)，藍(lán)色 – U2 控制信號(hào) (5V/div)，x 軸： 500 毫秒/格。
　　結(jié)論
　　IXYS 的 HPDICC 可以靈活地實(shí)施獨(dú)特的控制算法，有助于開發(fā)高效的電力系統(tǒng)。它在各種負(fù)載下實(shí)現(xiàn)了更高的穩(wěn)定性、高效率和可靠的性能。由于采用創(chuàng)新的電流測(cè)量算法，它允許公共輸入和負(fù)載接地。用戶可以針對(duì)各種輸入電壓和頻率來優(yōu)化器件。