在上期中，我們探討了電源開(kāi)關(guān)瞬態(tài)保護(hù)設(shè)計(jì)。

本期，為大家?guī)?lái)的是《如何限制 PFC 再浪涌電流》，將介紹一種低成本、簡(jiǎn)單有效的方法來(lái)滿足模塊化硬件系統(tǒng) - 通用冗余電源 (M-CRPS) 規(guī)格要求，限制再浪涌電流。

簡(jiǎn)介

近期發(fā)布的模塊化硬件系統(tǒng) - 通用冗余電源 (M-CRPS) 規(guī)格要求，當(dāng)數(shù)據(jù)中心使用的電源發(fā)生輸入欠壓或斷電事件后恢復(fù)輸入電壓時(shí)，需要限制再浪涌電流（與眾所周知的浪涌電流不同）。以前，這種再浪涌電流沒(méi)有明確規(guī)格，也沒(méi)有針對(duì)這一事件的特殊控制措施。本文將介紹一種低成本、簡(jiǎn)單且非常有效的方法來(lái)滿足 M-CRPS 要求。

浪涌電流與再浪涌電流

對(duì)于功率大于 75W 的前端電源 (PSU)，需要進(jìn)行功率因數(shù)校正 (PFC)。PFC 強(qiáng)制輸入電流跟隨輸入電壓，以使電子負(fù)載顯示為電阻。PFC 通常有較大的輸出電容器。啟動(dòng)前，PFC 輸出電容器已完全放電。由于 PFC 結(jié)構(gòu)在 VAC> VOUT時(shí)提供電流路徑，因此施加交流電壓將生成巨大的電流，因?yàn)檩斎腚妷夯旧现苯邮┘拥?PFC 輸出電容器上。此電流稱為浪涌電流。

在PFC 輸入側(cè)放置一個(gè)具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻 (RT) 和一個(gè)機(jī)械繼電器將限制浪涌電流，如圖 1 中所示。在 PFC 上電期間，該繼電器關(guān)閉。浪涌電流通過(guò) RT限制為一個(gè)較低的值，PFC 輸出大容量電容器 (CBULK) 將逐漸充電。輸出電壓 (VOUT) 充電至等于交流電壓 (VAC) 的峰值后，浪涌電流就會(huì)降至 0。然后，繼電器將打開(kāi)，并旁路 RT，以減少正常運(yùn)行期間的功率損耗。

圖 1：使用 RT和繼電器限制 PFC 浪涌電流

再浪涌電流有所不同；它在 PFC 正常運(yùn)行期間發(fā)生。如圖 2 中所示，當(dāng) PFC 正常運(yùn)行時(shí)，交流輸入電壓突然下降。由于仍然施加負(fù)載，PFC VOUT可能會(huì)降至較低的值。然后，當(dāng)交流電壓恢復(fù)時(shí)，如果交流輸入電壓高于 VOUT，將再次出現(xiàn)浪涌電流。此電流稱為再浪涌電流。

圖 2：M-CRPS 再浪涌電流限制和時(shí)序

在此之前，它完全依賴于功率級(jí)元件處理再浪涌電流的能力。測(cè)試結(jié)果表明，再浪涌電流可能會(huì)躍升至比 PFC 額定最大輸入電流高 10 倍以上。如此高的再浪涌電流會(huì)損壞電源或縮短其使用壽命，這就是 M-CRPS 規(guī)格限制交流電壓恢復(fù)后再浪涌電流量的原因。在半個(gè)輸入頻率周期內(nèi)，再浪涌電流的均方根值應(yīng)小于 PSU 最大額定電流的五倍 (5 × Irated,RMS)，而在一個(gè)輸入頻率周期內(nèi)應(yīng)小于 3.5 × Irated,RMS。此外，在施加交流輸入后，輸入電流應(yīng)在兩個(gè)輸入頻率周期內(nèi)穩(wěn)定至 ≤2 × Irated,RMS的值。

當(dāng)考慮在此期間PFC 脈寬調(diào)制 (PWM)的運(yùn)行情況時(shí)，問(wèn)題變得更加復(fù)雜。如果 PFC 控制不當(dāng)，當(dāng)交流電壓恢復(fù)時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)不合適的 PWM 占空比，從而導(dǎo)致可能超過(guò) M-CRPS 規(guī)格的另一個(gè)大輸入電流峰值。

另一方面，當(dāng)交流電壓恢復(fù)時(shí)，PFC 需要提供足夠的電流，以盡快將 PFC 輸出電壓提升至其穩(wěn)壓電平；否則，VOUT將由于負(fù)載較重而持續(xù)下降，最終觸發(fā)直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸入欠壓鎖定電平。在交流電壓恢復(fù)后，為 PFC 輸出電容器充電將需要較大的輸入電流，該電流在 VIN> VOUT時(shí)來(lái)自再浪涌，或在 VIN< VOUT?時(shí)來(lái)自 PFC 控制環(huán)路。

本文提供了一種處理此再浪涌電流的解決方案，能在交流電壓下降后恢復(fù)時(shí)很好地控制再浪涌電流 (VIN> VOUT時(shí)) 和非再浪涌電流 (VIN< VOUT?時(shí))，使其足夠高以快速提升 VOUT，但不超過(guò) M-CRPS 限制規(guī)格。

建議的再浪涌電流控制方法

圖 3 展示了建議的低成本再浪涌電流控制方法。與圖 1 相比，有兩個(gè)不同之處。首先，RT已從交流側(cè)移至直流側(cè)。其次，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET)Q5取代了傳統(tǒng)的機(jī)械繼電器。選擇固態(tài)繼電器是因?yàn)樾枰焖匍_(kāi)啟和關(guān)閉繼電器，而機(jī)械繼電器速度太慢，無(wú)法滿足這一需求。另外，由于MOSFET無(wú)法切斷交流電壓，因此其位于直流側(cè)。浪涌電流限制的工作原理與傳統(tǒng)方法相同。第一次向 PSU 施加輸入電壓時(shí)，RT將限制浪涌電流。浪涌電流通過(guò)后，Q5開(kāi)啟且 RT被旁路。

圖 3：建議的再浪涌電流限制硬件結(jié)構(gòu)

圖 4 展示了建議的再浪涌電流控制方法。VAC是 PFC 輸入電壓，VOUT是 PFC 輸出電壓，IAC是輸入電流。Q1和 Q2是高頻開(kāi)關(guān)，在每個(gè)交流半周期中交替用作 PFC 升壓開(kāi)關(guān)或同步開(kāi)關(guān)。在 PFC 滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，交流線路電壓會(huì)下降 10ms，然后恢復(fù)到其峰值。這是交流電壓下降最糟糕的情況。

圖 4：建議的交流電壓下降和再浪涌電流限制控制算法

以下是建議的再浪涌電流控制方法：

在 t0時(shí)：檢測(cè)到交流電壓下降時(shí)，Q1和 Q2關(guān)閉。您還必須同時(shí)關(guān)閉 PFC 電壓和電流環(huán)路，因?yàn)槿绻妷涵h(huán)路和電流環(huán)路持續(xù)運(yùn)行，其積分器將累積。當(dāng)交流電壓恢復(fù)且 PFC 開(kāi)啟時(shí)，將出現(xiàn)較大的 PWM 占空比，從而導(dǎo)致較大的電流峰值，可能會(huì)損壞電源。

電流環(huán)路關(guān)閉后，將其復(fù)位為 0 并清除其積分器歷史記錄。如果不清除積分器，當(dāng)交流電壓恢復(fù)且 PFC 開(kāi)啟時(shí)，PFC 將在交流電壓下降前以相同的 PWM 占空比開(kāi)啟，而該占空比可能不合適。例如，如果在過(guò)零時(shí)發(fā)生交流電壓下降，則 PWM 占空比幾乎為 100%。如果交流電壓恢復(fù)交流峰值而未清除電流環(huán)路積分器，則交流峰值時(shí)發(fā)生的占空比幾乎為 100%，并將生成一個(gè)較大的電流峰值，這可能會(huì)損壞電源。對(duì)于電壓環(huán)路，關(guān)閉后應(yīng)將其凍結(jié)以保持其內(nèi)部值。電壓環(huán)路輸出代表負(fù)載并用于生成電流環(huán)路基準(zhǔn)；因此，您需要保持其值，以使負(fù)載在交流電壓下降期間不會(huì)發(fā)生變化。

在 t1時(shí)：交流電壓恢復(fù)。由于 VAC> VOUT，生成的再浪涌電流將為大容量電容器充電。Q1和 Q2保持關(guān)閉。

在 t2時(shí)：再浪涌電流超出可編程閾值并觸發(fā)繼電器 Q5關(guān)閉事件。當(dāng) Q5關(guān)閉時(shí)，再浪涌電流隨即受 RT限制，其幅度迅速下降。繼電器 Q5僅關(guān)閉極短的時(shí)間 (例如 10μs)，然后再次開(kāi)啟。Q5開(kāi)啟后，再浪涌電流會(huì)再次上升，直至超出閾值。此過(guò)程不斷重復(fù)，直到再浪涌電流不再超出限值。圖 5 顯示了此進(jìn)程的流程圖。

在 t3時(shí)：VAC< VOUT。現(xiàn)在，是時(shí)候開(kāi)啟 PFC 了。將電壓環(huán)路基準(zhǔn)設(shè)置為等于 t3?時(shí)的瞬時(shí) VOUT，然后開(kāi)啟電壓環(huán)路。之后，逐漸增加電壓環(huán)路基準(zhǔn)，直到其達(dá)到正常設(shè)定值。對(duì)于電流環(huán)路，首先計(jì)算占空比 D = (VOUT?– VAC)/VOUT?并將其注入電流環(huán)路，以在電流環(huán)路開(kāi)啟時(shí)使電流環(huán)路輸出從計(jì)算出的 D 開(kāi)始。然后，開(kāi)啟電流環(huán)路。最后，開(kāi)啟 Q1?和 Q2?使 PFC 正常運(yùn)行。

圖 5：建議的繼電器開(kāi)關(guān)控制算法流程圖

此過(guò)程不斷重復(fù)，直到 VOUT超過(guò) VAC。

測(cè)試結(jié)果

在一臺(tái)3.6kW 圖騰柱無(wú)橋 PFC上測(cè)試建議的方法。圖 6 顯示，當(dāng)交流電壓下降時(shí)，其在 10ms 內(nèi)恢復(fù)峰值。通道 1（藍(lán)色）是 PFC 輸入電流波形 (IIN)，通道 2（青綠色）是繼電器開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。圖 7 是繼電器開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)的放大圖。在交流電壓下降期間，繼電器 Q5保持開(kāi)啟。CBULK持續(xù)將存儲(chǔ)的能量輸送給負(fù)載，且 VOUT下降。交流電壓恢復(fù)后，由于繼電器處于開(kāi)啟狀態(tài)且 VAC> VOUT，因此再浪涌電流迅速上升。再浪涌電流達(dá)到預(yù)定義的電流限制閾值（本例中為 40A）后，繼電器就會(huì)關(guān)閉，并且由于 RT.的原因，再浪涌電流會(huì)降到非常低的值。繼電器僅保持關(guān)閉 10μs，然后將再次開(kāi)啟。再浪涌電流將再次上升。整個(gè)過(guò)程可以將再浪涌電流限制在 M-CRPS 規(guī)格范圍內(nèi)，同時(shí)仍提供大量電流快速為 CBULK充電。該波形還表明，非再浪涌電流（其中 VAC< VOUT）控制良好，沒(méi)有較大的電流峰值。

圖 6：交流電壓下降后恢復(fù)時(shí)的再浪涌電流控制

圖 7 顯示以有限斜率上升的第二次再浪涌電流，發(fā)生這種情況是因?yàn)镻FC 輸入阻抗（包括電磁干擾濾波器阻抗和印刷電路板布線阻抗）限制了電流上升的斜率。在本例中，第二次再浪涌電流的幅度未超過(guò) 40A 的閾值；因此，繼電器僅關(guān)閉一次。如果第二次再浪涌電流也超過(guò)閾值，繼電器將再次關(guān)閉。

圖 7：繼電器開(kāi)啟和關(guān)閉瞬間圖 6 的放大圖

結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)中心使用的電源要求交流電壓從斷電狀態(tài)恢復(fù)時(shí)的再浪涌電流不得超過(guò) M-CRPS 規(guī)格中規(guī)定的限值。通過(guò)用固態(tài)繼電器替代傳統(tǒng)的機(jī)械繼電器，并在再浪涌電流超過(guò)可編程閾值時(shí)快速關(guān)閉/打開(kāi)繼電器，可以很好地控制再浪涌電流，使其不超過(guò) M-CRPS 限制規(guī)格，但又足以快速提升 VOUT。此外，這種基于固件的方法利用了現(xiàn)有的 RT，產(chǎn)生了一種低成本且非常有效的再浪涌電流控制解決方案。