如何利用SCR輕松驅動AC/DC轉換器啟動？

I.前言

過去十年，新裝服務器的市場需求增長迅猛，2015到2022年復合年均增長率達到了11%。拉動市場增長的動力主要來自以下幾個方面：首先，個人文件無紙化和企業(yè)辦公數(shù)字化進程加快；其次，全球健康危機期間的居家辦公，新媒體平臺融入個人生活，致使屏幕使用時間大幅增加；最后，隨著人工智能的興起和普及，這個市場將繼續(xù)保持高速增長。在這個背景下，給服務器設計開關電源殊為不易，主要是處理高熱耗散問題，以及降低這種大型可擴展設備的維修成本，這是擺在電源開發(fā)者面前的兩大難題。

基于可控硅來解決這兩大問題的方案應運而生，提出了用可控硅替代傳統(tǒng)機電開關的設計在開關電源的AC/DC部分的啟動功能的方案。

II.先進技術

a)原理

在 AC-DC功率轉換器啟動過程中，大容量電容直流充電時會產生高于系統(tǒng)標稱穩(wěn)態(tài)電流10 倍的大電流，這種涌流會在市電交流電源上產生電壓降，從而影響同一電源連接的其他設備的正常運行。在IEC61000-3-3標準里有電壓波動和頻閃的定義。

要想保護電氣設備的安全和功率轉換器的可靠性，必須抑制這種浪涌電流。事實上，浪涌電流可能會觸發(fā)或燒毀電源串聯(lián)的設備，例如，斷路器、保險絲、電容器或橋式整流器。

有三種解決方案可以抑制電氣設備連接電源時產生的浪涌電流：

- 用繼電器并聯(lián)NTC或PTC熱敏電阻，在電源恢復到穩(wěn)態(tài)后短接啟動電阻，傳輸電能，降低電阻的電能損耗；

- 用SCR可控硅代替方案1的繼電器； 

- 用SCR設計軟啟動的導通配置

關于每個涌流抑制解決方案在啟動階段和穩(wěn)態(tài)階段的工作原理圖，見圖1。

 圖1：AC/DC轉換器：浪涌電流抑制電路拓撲

b)為軟啟動尋找一個適合的方法

以前的標準拓撲是用機電繼電器建立一條旁路，繞過管理浪涌電流的NTC熱敏電阻。用 SCR建立旁路也可以實現(xiàn)同樣的效果。現(xiàn)在更加優(yōu)化的方法是采用軟啟動拓撲。

通過用相位角控制SCR開關操作，可以把PFC輸出電容器的電壓平穩(wěn)地提高至交流線路的峰值電壓。MCU控制預充電流峰值，并同步SCR柵極驅動信號的相位角步長（圖2中的Δt）。

圖2：采用純SCR拓撲的軟啟動

不難發(fā)現(xiàn)，ILINE 峰值和 Δt 值是相關的：Δt值越大，ILINE 峰值越高，系統(tǒng)啟動越快。

c) 純SCR涌流抑制拓撲的優(yōu)點

軟啟動拓撲允許設計人員不用機電元件和無源元件（即 NTC 或 PTC）就能處理在應用啟動階段出現(xiàn)的浪涌電流，從而降低AC/DC整流部分的物料成本。

通過用MCU 控制SCR 的導通，設計人員可以輕松設置線路電流大小，改善啟動時間，同時滿足IEC61000-3-3標準。

SCR可控硅X1 和 X2 正在取代下橋臂上的標準整流二極管，可控硅驅動電路是由一個雙向晶閘管Q1和兩個小二極管D1和D2組成。

因為采用這種驅動器配置，MCU可直接控制SCR導通，無需額外隔離電路和交流線路極性檢測。只要被施加正偏置電壓后，SCR就能正向導通，因此當將柵極電流反向施加到未使用的SCR時，沒有潛在功率損耗的風險。

這種全固態(tài)浪涌電流管理方案沒有笨重的活動的機械元件，因而改進了電源的可靠性和使用壽命。此外，應用中不再有因為繼電器觸點彈跳產生的EMI噪聲。與繼電器相比，可控硅沒有老化問題。

圖 3從能效、功率密度、使用壽命、聲學噪聲和電磁干擾幾個方面比較了16A SCR和16A機械繼電器的應用性能。

圖3：SCR與機械式繼電器性能對比

III. 數(shù)據(jù)中心的電力損耗非常嚴重

數(shù)據(jù)中心SMPS設計人員面臨的主要難題是功率損耗。即使散熱方法不斷改進，不管是水冷還是油冷，首要手段仍然是限制轉換器分立功率器件的電能損耗，使開關電源盡可能達到最高能效。

a) 基于繼電器的1500W電源與基于SCR的1500W電源能耗對比

我們在1500 W電源裝置(PSU)上測量了純SCR解決方案的能效。該電源的最初配置使用的是機械繼電器，我們用意法半導體開發(fā)的評估板（STEVAL SCR002V1）替換機械繼電器，在電源上實現(xiàn)一個純SCR的啟動拓撲。圖 4 顯示了兩種解決方案在輸出負載從 10% 到100% 時的能效。

SCR 拓撲的能效與繼電器的能效完全相同。

 圖4：1500 W電源能效對負載比曲線圖

b) 150°C 結溫下的 SCR 損耗優(yōu)化

選擇正確的 SCR 對于防止高功率損耗和可能的過熱現(xiàn)象非常重要。意法半導體開發(fā)了一系列AC/DC轉換器專用的SCR。

150°C最大結溫是關鍵參數(shù)。圖 5描述了 16A SCR（TN1605H-8I）在高溫條件下的通態(tài)特性。在150 °C結溫和RMS 6.5 A電流（在1500 W / 230 V電源上）時，SCR 的通態(tài)壓降低于正常溫度25°C 的通態(tài)壓降，所以，SCR在高溫工作時的功率損耗會更低。

在高溫工作時，SCR還有其他優(yōu)點：較低的散熱要求、更寬的溫度裕量、更高的可靠性。

圖5: 16A SCR在高溫通態(tài)時的特性

VI. 電路實現(xiàn)及工作方式

設計者的第一個問題是“如何設計整流橋中的SCR柵極電路”？

這個問題很容易回答，因為下面的柵極電路是由分立器件組成的，由 MCU 直接控制，并且不需要給接口額外加隔離器件。

為了簡單地解釋電路的工作原理，我們只討論交流線路正弦波的正半波，下面是電路運行方式：SCR可控硅X2 是由 Q1 通過二極管 D2導通。因此，一旦 MCU激活Q1，X2也會導通。Q1柵極電流來自MCU，而X2 柵極電流是通過Q1和D2接收的交流電源的電流。

圖6：電路工作方式

在正弦波的正半周期，D1二極管被反向偏置，因此沒有柵極電流流過 X1 SCR的柵極，從而防止SCR 漏電流導致的反向損耗增加。

在浪涌階段，MCU 控制Q1三端雙向可控硅開關元件的相位角，因此，X2 SCR也是用相位角控制。浪涌電流流經 D3、PFC 輸出電容(C)、X2 SCR，然后回到零線。Vdc充電順利。

在穩(wěn)定狀態(tài)下，PFC導通，MCU控制Q1三端雙向可控硅全波段導通，X2可控硅導通。在交流電源正弦負半周期也是同樣的操作，使用相同的MCU I/O 信號。

結論

純SCR拓撲及其專用的非絕緣驅動器可以輕松地替代機電繼電器和/或無源元件解決電氣設備啟動時的浪涌電流問題，這個基于高結溫SCR的完整固態(tài)解決方案非常適合功率密度非常高的應用場景，例如，數(shù)據(jù)中心的SMPS電源。該方案有以下幾個好處：高能效；去除機械部件，高可靠性；實現(xiàn)簡單的非隔離控制電路。

（來源：意法半導體 ，作者： Romain PICHON，Benoit RENARD）