摘要
大都用到直流-直流转换器或电机变频器的产品设备有必要对市电沟通电压进行整流处理，例如，大大都工业设备(电机转速操控器、充电器、电信体系电源等)和常见的消费电子产品(白色家电、电视、计算机等)。
传统二极管整流桥是最常用的沟通电压整流解决计划。整流桥后边经常会添加一个功率因数操控器，以保证市电电流的波形近似于正弦波。不过，二极管整流桥无法操控涌流。用两个可控硅整流管(SCR)代替两个二极管，新的操控型整流桥可以约束衔接市电时的涌流。
本文提出几个前端拓扑以及一些与混合式整流桥和有用防止过压相关的规划技巧。试验成果证明，4 kV至6 kV浪涌电压耐受规划是很简单完成的，并且本钱也不高。
涌流约束计划(ICL)和待机功耗问题
二极管整流桥的缺陷是无法操控浪涌电流，这是由于在刺进市电插座时，直流输出电容会忽然充电。
强涌流或许会给体系带来许多问题，例如，稳妥失效、二极管等元件损坏，一同还会在电网上发生过多的电流应力。假如不对涌流加以约束，发动电流上升速率很快，很简单到达稳态电流的10-20倍，因而，有必要进步线路元器材的参数，使其可以短时刻传输大电流。此外，线路电流忽然进步将会导致电压骤降，电压动摇将会下降其它负载的输入功率。衔接在同一条线路的灯具或显示屏将会忽明忽暗，呈现闪耀或闪屏现象。为防止这些有害现象，IEC 61000-3-3电磁规范规则了最大容许电压动摇和最大容许涌流。
为了到达这个规范要求，常用限流办法是选用一个阻值固定的电阻器或一个热敏电阻器 (图1 a中的RLIM)约束电容器涌流。热敏电阻器一般具有负温度系数特性(NTC)，因而，热敏电阻在低温即发动时阻抗大，稳态时阻抗小。为了在稳态时操控电阻自身耗费的功率，需求选用低阻值的电阻器。一个更好的解决办法是给电阻并联一个开关，构成一个旁路，在稳态时接通开关，电流绕过电阻。
这种旁路开关一般选用机械继电器(图1 a中的S2 )。这个解决计划的缺陷是RLIM电阻一直衔接市电线路，即便运用设备进入待机形式，也照旧给二极管整流桥供电。由于直流电容器(C)依然处于充电状况，所以存在待机功率损耗。为下降功率损耗，有必要给市电线路串联一个开关(图1 a中的S1)，该开关在设备进入待机形式时开路，这样就能断开二极管整流桥与线路的衔接。
混合式整流桥是一个愈加智能的涌流约束解决计划，如图1b所示。运用可控硅整流管(SCR) 的渐进式软发动，向输出电容慢速充电，然后完成对涌流的约束。在线路电压的每半个周期完毕时激活可控硅整流管，这时施加到电容器的电压被下降。经过逐步下降可控硅整流管导通延时，延伸可控硅整流管导通时刻，以此进步直流电容器上的施加的电能。
假如给线路串联一个电感器(图1b中的L)，这个解决计划就会见效。在实践运用中，这个电感器是免费的，由于根据直流桥的运用大都都有开关式电源或电机变频器，不管是哪一种，都需求一个高频开关滤波器。大都EMI滤波器都有一个共模电感器，发生杂散差分式电感。
这个解决计划还需求一个辅佐电源，用于在直流输出电容器充电前给微操控器供电，保证可控硅整流管的软发动操作。
图1: 根据电阻器和继电器的电涌限流电路 (a)和根据混合整流桥的电涌限流电路(b)
因而，这个约束涌流并操控待机损耗全体计划是用两个可控硅整流管代替一个限流电阻器和两个继电器。与机械继电器技能比较，半导体固态继电器本钱低价，并克服了机械继电器的下列缺陷：
· 线圈导致的操控电流耗费大
· 机械振动导致的开关开路
· 机械触点发生的声学噪声
· 在易燃环境引起火灾(开关电弧)
· 可靠性低(在高直流电压或电流时的继电器开关操作)
前端维护向浪涌电压过渡
像二极管整流桥相同，混合式整流桥也与市电插座直接相连，假如有浪涌电压，很或许会焚毁整流桥和PFC芯片(例如，图1中的旁通二极管D4)。
依照IEC61000-4-5规范描绘的抗浪涌冲击试验过程，有必要施加不同相角的正负浪涌电压。
在市电峰压时施加正浪涌电压
咱们在90°相角施加4KV正浪涌电压，如图2的示意图所示 (无PFC)。为模仿最恶劣的运用环境，咱们为L选用一个2 µH电感，C是一个100 µF电容。可控硅整流管是两个50A的TN5050H-12WY，而D1、D2和D4二极管(PFC旁通二极管)是STBR6012-Y整流管。
在 90°相角时，T1和D1导通。浪涌进步电流，并致使D4导通，由于PFC电感坚持电压。浪涌电流旁通二极管D4，防止焚毁PFC续流二极管(D3)。
图2: 正浪涌电压期间的过流应力(示意图，D4是PFC旁通二极管)
如图2所示，在浪涌期间，T1电流峰值到达1730 A (D1和D4电流也相同到达这个数值)。电流脉宽相当于30 µs长的半正弦波。这个电流应力数值远远低于STBR6012-Y和 TN5050H-12WY的接受规模。
假如施加的涌流高于可控硅整流管或二极管的电流耐受才能规模，有两种办法可以下降过流(两种办法可一同运用):
· 进步差分电感的办法尽管有助于下降峰值电流，但也会使过流脉宽小幅进步。
· 在线路输入端加一个变阻器，有助于下降电路遭到的峰压冲击，一同也会下降过流。
如图2所示所示，浪涌电流将VDC 输出电压进步到650 V。这个电压反向施加到T2(由于当T1导通时，二极管D1也一同导通) 和D2。因而，有必要运用至少800 V的器材，TN5050H-12WY和STBR6012-Y是1200 V，电压裕度很高。
假如反向电压超出可控硅整流管或二极管的耐受规模，用一个电容值更大的输出电容或内部寄生效应很低的电容串联一个电阻器，可以更有用地操控浪涌电压。
在市电峰压时施加负浪涌电压
假如施加的负浪涌电压是90°相角，混合式整流桥的作业方式就有点杂乱了。
图3所示给出了这种状况的电路通断序列：
· A阶段：在浪涌施加前混合式整流桥正常作业，VAC 是正电压，T1和D1导通，线路电流(IL, 绿色虚线)从L流至N，途经T1、D1和输出电容。
· B阶段：施加负浪涌电压，因而VAC 极性变负，这意味着，负电流(赤色虚线)将从N流至L。
· C阶段：在VAC 电压变负后，线路电流下降。当IL 电流过零时，D1关断。这意味着，现在整个线路电压被施加到T2 (VT2 赤色箭头)。
C阶段有必要慎重处理。实践上，假如电压高于可控硅整流管的击穿电压，器材或许被焚毁。
图3: 90°负浪涌电压测验混合整流桥的作业序列
根据Transil的维护机制
在可控硅整流管的阳极和栅极之间衔接一个过压维护器材Transil(图4)，可以防止T2在C阶段被焚毁。在C阶段，电压将会上升到Transil的击穿电压(VBR)，触发 Transil二极管导通，向可控硅整流管栅极施加电流。然后，可控硅整流管导通。图4描绘了这种操作:
· A阶段：在第1点完毕，VAC 电压变负。
· B阶段：在第2点完毕，线路电流电压过零。
· C阶段：T2在第3点导通，电压高于Transil击穿电压，施加到T2的电压最大值被约束在430 V。然后D2也导通，施加浪涌，给输出电容充电。
· D阶段在第4点后开端。浪涌电流经过T2、D2和D4施加到输出电容。T1和D1关断
图4: 根据TN5050H-12WY可控硅整流管的混合式整流桥90°1 kV负浪涌电压测验
咱们在测验中选用一个1,5KE400CA的Transil二极管。这个二极管可将钳位电压的峰值约束到一个极低的水平( 430 V)，这一点特别重要。在C阶段，D1上的负电压绝对值是VT2与VDC之和。假如输出直流电压是325V，则D1上的负电压最大值是755 V(在STBR6012-Y的容许规模内)。电压值更高的Transil或低电能Transil(1,5KE400CA是一个1500 W Transil)将会引起更高的钳位电压，导致更高的电压施加到D1上。
在T2的栅极与阴极之间衔接的电阻器用于分流Dz transil 二极管输出的电流，防止dV/dt引起的杂散触发。
根据变阻器的维护机制
假如不想让可控硅整流管在电压高于430V时导通，或许当可控硅整流管被Transil触发时，假如浪涌电流高于SCR ITSM 值，咱们还有一个解决办法，即在整流桥输入端，将Transil二极管改为电压抑制器，例如，金属氧化物变阻器(图4中的绿色虚线)。变阻器置于EMI滤波器之后，滤波器阻抗(特别是共式扼流圈的差分式电感)可以约束变阻器吸收电流。
并联多个变阻器以更好地约束浪涌电压，防止在施加90°相角负浪涌电压时T2导通(在施加270°相角正浪涌电压时T1导通)。
浪涌电压耐受才能取决于变阻器的能否将浪涌电压约束在T1/T2可控硅整流管的VDSM/VRSM 和 D1/D2二极管的VRRM以下。可控硅整流管过流不再一个难题。例如，并联四个385 V 14 mm 金属氧化物变阻器(MOV)，衔接一个典型的EMI滤波器，当浪涌电压到达 6 kV 时，混合式整流桥的电压约束在1100V，远远低于TN5050H-12WY VDSM的击穿电压和STBR6012-Y整流管的击穿电压。因而，该电路典型状况下可以耐受6 kV浪涌冲击。
定论
为什么挑选这个拓扑?
下降功率损耗、外观尺度，一同进步可靠性(相对于继电器和被迫限流器)。
用新一代可控硅整流管和前端拓扑完成的稳健的解决计划。
