浪涌電流對電源造成限制，并由于加電時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，克服了現(xiàn)有技術(shù)的許多缺點，并提高了人們對高功率轉(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，已針對高達 10A 的負載電流進行了測試。工業(yè)AC-DC、DC-AC電源，例如額定值≤5kW的電池充電器、電機驅(qū)動器和太陽能逆變器，可以實施這種設(shè)計來控制大浪涌電流。
　　IXYS 高功率數(shù)字浪涌電流控制技術(shù)擴展到高電流水平，同時還引入了具有單片集成電流感應(yīng)鏡和兩個溫度感應(yīng)二極管的大電流功率 MOSFET (MMIX1T132N50P3)。該設(shè)計利用 Zilog 的 8 位 Z8F3281 MCU 和其他 IXYS 組件，例如整流器和驅(qū)動器 IC。
　　主要優(yōu)勢
　　高功率數(shù)字浪涌電流控制器具有以下優(yōu)點：
　　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；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。
　　可擴展設(shè)計，可通過更換一些關(guān)鍵組件并進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，無需從一個樣品到另一個樣品進行任何調(diào)整即可獲得預(yù)期結(jié)果和最大效率。　　該浪涌控制器經(jīng)過測試，負載電流高達 10A。由于設(shè)計中使用的功率MOSFET的額定電流為120A并且不存在用于主電流的串聯(lián)電流檢測電阻，因此負載電流可能會大幅增加。為了將負載電流增加到超過 10A，設(shè)計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)時間相關(guān)脈沖序列驅(qū)動的功率 MOSFET (SW1) 充電。脈沖序列設(shè)計用于在電容器上提供相等的電壓增量，并在每個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行選擇。充電電流是脈沖數(shù)量和相對于整流正弦波的定時位置的函數(shù)。

　　圖 2 顯示了 SW1 的典型脈沖序列。如果我們考慮 N 個周期進行浪涌控制，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。充電電流不會立即上升，因為它是串聯(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)字浪涌控制時序
　　然后電流繼續(xù)其諧振行為，因為 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 通過另一個電壓增量 1/N 進行預(yù)充電，過程與周期 1 類似。電容器 C 被充電 N 個周期，達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)計中，限制組件是電感器 AGP4233-223ME，在 20% 電感降時額定電流為 35.4 A。
　　每個預(yù)充電脈沖的定時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)束時下降，而電容器的電壓線性上升。它由電流脈沖相對于整流電壓的半正弦波形的定時位置確定。在充電周期結(jié)束時，預(yù)充電脈沖的持續(xù)時間更長，電流幅度更小，這在大容量電容器上產(chǎn)生了與開始時相同的電荷，并且導(dǎo)致整個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：過載保護時間
　　為了顯示 IXYS 電源組件的功能，該設(shè)計包括負載 ON/OFF 開關(guān) U3（參見圖 6）、過載保護功能和電源良好狀態(tài)輸出。負載開關(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)計中，負載開關(guān)通過電源良好狀態(tài)信號激活。
　　過載保護是一項關(guān)鍵功能，可保護設(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)計中設(shè)置為 12A。

　

　　圖 4：(a) 充電序列開始時的預(yù)充電電流和圖 4(b) 充電周期結(jié)束時的預(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
　　如果比較器檢測到過載，MCU 會通過關(guān)閉 U2 和 U3 開關(guān)來斷開負載。
　　過載保護可針對兩種操作模式進行編程：
　　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
　　在第二種操作模式中，重新啟動之間的延遲和重新啟動的次數(shù)是可編程的。在本參考設(shè)計中，延遲時間設(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)計中，電容器預(yù)充電完成后延遲了 2 個周期。如果檢測到過載情況，則不會設(shè)置電源正常狀態(tài)。
　　硬件實現(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。詳細電路原理圖如圖 6 所示。MCU 模塊作為附加設(shè)備實現(xiàn)，帶有用于 MCU 編程的連接器。應(yīng)在為整個系統(tǒng)供電之前對 MCU 進行編程。 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/放電電流測量的信號源，因此主電流路徑中沒有電流檢測電阻，從而提高了系統(tǒng)效率。在輸出功率為 3000 W 時，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。
　　測試數(shù)字浪涌控制器
　　該設(shè)計經(jīng)過編程，其性能在測試臺上得到驗證。交流線路輸入通過 2 kW 隔離變壓器饋送，以保護操作員和測試設(shè)備。 正常運行期間負載設(shè)置為 10A。為了測試過載情況，添加了額外的負載以將負載電流增加到 12A。瞬時連接額外負載足以觸發(fā)過載保護。持續(xù)過載導(dǎo)致多次嘗試重新啟動設(shè)備，并在負載電流達到 12A 閾值后立即中斷。圖 7 描繪了正常操作時從示波器獲取的實際波形。
　　浪涌電流（紅線）限制為 16A。藍線顯示 U2 柵極處的信號。浪涌過程完成后，柵極被設(shè)置為高電平以保持U2導(dǎo)通。然后將負載連接到預(yù)充電電容器。連接負載后，由于隔離變壓器和電網(wǎng)的阻抗，整流電壓會出現(xiàn)下降。
　　正常操作從大容量電容器的預(yù)充電開始。當(dāng) MCU 檢測到過載情況時，正常操作會中斷，U2 和 U3 開關(guān)會關(guān)閉。每隔 1.5 秒就會嘗試重新啟動設(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)計中設(shè)置為 4 次嘗試。
　　負載功率為1kW時，測得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載計算的。
　　　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)、高功率電機驅(qū)動器、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載中，例如以并聯(lián)運行模式運行的 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 – 負載電壓 (50V/div)，洋紅色 – 電源正常狀態(tài)信號 (1V/div)，藍色 – U2 控制信號 (5V/div)，x 軸： 500 毫秒/格。
　　結(jié)論
　　IXYS 的 HPDICC 可以靈活地實施獨特的控制算法，有助于開發(fā)高效的電力系統(tǒng)。它在各種負載下實現(xiàn)了更高的穩(wěn)定性、高效率和可靠的性能。由于采用創(chuàng)新的電流測量算法，它允許公共輸入和負載接地。用戶可以針對各種輸入電壓和頻率來優(yōu)化器件。