【導讀】過(guò)去十年，新裝服務(wù)器的市場(chǎng)需求增長(cháng)迅猛，2015到2022年復合年均增長(cháng)率達到了11%。拉動(dòng)市場(chǎng)增長(cháng)的動(dòng)力主要來(lái)自以下幾個(gè)方面：首先，個(gè)人文件無(wú)紙化和企業(yè)辦公數字化進(jìn)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(gè)人生活，致使屏幕使用時(shí)間大幅增加；最后，隨著(zhù)人工智能的興起和普及，這個(gè)市場(chǎng)將繼續保持高速增長(cháng)。在這個(gè)背景下，給服務(wù)器設計開(kāi)關(guān)電源殊為不易，主要是處理高熱耗散問(wèn)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(kāi)發(fā)者面前的兩大難題。
I.前言
過(guò)去十年，新裝服務(wù)器的市場(chǎng)需求增長(cháng)迅猛，2015到2022年復合年均增長(cháng)率達到了11%。拉動(dòng)市場(chǎng)增長(cháng)的動(dòng)力主要來(lái)自以下幾個(gè)方面：首先，個(gè)人文件無(wú)紙化和企業(yè)辦公數字化進(jìn)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(gè)人生活，致使屏幕使用時(shí)間大幅增加；最后，隨著(zhù)人工智能的興起和普及，這個(gè)市場(chǎng)將繼續保持高速增長(cháng)。在這個(gè)背景下，給服務(wù)器設計開(kāi)關(guān)電源殊為不易，主要是處理高熱耗散問(wèn)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(kāi)發(fā)者面前的兩大難題。
基于可控硅來(lái)解決這兩大問(wèn)題的方案應運而生，提出了用可控硅替代傳統機電開(kāi)關(guān)的設計在開(kāi)關(guān)電源的AC/DC部分的啟動(dòng)功能的方案。
II.先進(jìn)技術(shù)
a)原理
在 AC-DC功率轉換器啟動(dòng)過(guò)程中，大容量電容直流充電時(shí)會(huì )產(chǎn)生高于系統標稱(chēng)穩態(tài)電流10 倍的大電流，這種涌流會(huì )在市電交流電源上產(chǎn)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(dòng)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(shí)上，浪涌電流可能會(huì )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(shí)產(chǎn)生的浪涌電流：
- 用繼電器并聯(lián)NTC或PTC熱敏電阻，在電源恢復到穩態(tài)后短接啟動(dòng)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(dòng)的導通配置
關(guān)于每個(gè)涌流抑制解決方案在啟動(dòng)階段和穩態(tài)階段的工作原理圖，見(jiàn)圖1。
圖1：AC/DC轉換器：浪涌電流抑制電路拓撲
b)為軟啟動(dòng)尋找一個(gè)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(guò)管理浪涌電流的NTC熱敏電阻。用 SCR建立旁路也可以實(shí)現同樣的效果?，F在更加優(yōu)化的方法是采用軟啟動(dòng)拓撲。
通過(guò)用相位角控制SCR開(kāi)關(guān)操作，可以把PFC輸出電容器的電壓平穩地提高至交流線(xiàn)路的峰值電壓。MCU控制預充電流峰值，并同步SCR柵極驅動(dòng)信號的相位角步長(cháng)（圖2中的Δt）。
圖2：采用純SCR拓撲的軟啟動(dòng)
不難發(fā)現，ILINE 峰值和 Δt 值是相關(guān)的：Δt值越大，ILINE 峰值越高，系統啟動(dòng)越快。
c) 純SCR涌流抑制拓撲的優(yōu)點(diǎn)
軟啟動(dòng)拓撲允許設計人員不用機電元件和無(wú)源元件（即 NTC 或 PTC）就能處理在應用啟動(dòng)階段出現的浪涌電流，從而降低AC/DC整流部分的物料成本。
通過(guò)用MCU 控制SCR 的導通，設計人員可以輕松設置線(xiàn)路電流大小，改善啟動(dòng)時(shí)間，同時(shí)滿(mǎn)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(dòng)電路是由一個(gè)雙向晶閘管Q1和兩個(gè)小二極管D1和D2組成。
因為采用這種驅動(dòng)器配置，MCU可直接控制SCR導通，無(wú)需額外隔離電路和交流線(xiàn)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(shí)，沒(méi)有潛在功率損耗的風(fēng)險。
這種全固態(tài)浪涌電流管理方案沒(méi)有笨重的活動(dòng)的機械元件，因而改進(jìn)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(diǎn)彈跳產(chǎn)生的EMI噪聲。與繼電器相比，可控硅沒(méi)有老化問(wèn)題。
圖 3從能效、功率密度、使用壽命、聲學(xué)噪聲和電磁干擾幾個(gè)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. 數據中心的電力損耗非常嚴重
數據中心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(jìn)，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(kāi)關(guān)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(kāi)發(fā)的評估板（STEVAL SCR002V1）替換機械繼電器，在電源上實(shí)現一個(gè)純SCR的啟動(dòng)拓撲。圖 4 顯示了兩種解決方案在輸出負載從 10% 到100% 時(shí)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(xiàn)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(guò)熱現象非常重要。意法半導體開(kāi)發(fā)了一系列AC/DC轉換器專(zhuān)用的SCR。
150°C最大結溫是關(guān)鍵參數。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(shí)，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(shí)的功率損耗會(huì )更低。
在高溫工作時(shí)，SCR還有其他優(yōu)點(diǎn)：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(shí)的特性
VI. 電路實(shí)現及工作方式
設計者的第一個(gè)問(wèn)題是“如何設計整流橋中的SCR柵極電路”？
這個(gè)問(wèn)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(jiǎn)單地解釋電路的工作原理，我們只討論交流線(xiàn)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(guò)二極管 D2導通。因此，一旦 MCU激活Q1，X2也會(huì )導通。Q1柵極電流來(lái)自MCU，而X2 柵極電流是通過(guò)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(méi)有柵極電流流過(guò) 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(kāi)關(guān)元件的相位角，因此，X2 SCR也是用相位角控制。浪涌電流流經(jīng) D3、PFC 輸出電容(C)、X2 SCR，然后回到零線(xiàn)。Vdc充電順利。
在穩定狀態(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(zhuān)用的非絕緣驅動(dòng)器可以輕松地替代機電繼電器和/或無(wú)源元件解決電氣設備啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流問(wèn)題，這個(gè)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(chǎng)景，例如，數據中心的SMPS電源。該方案有以下幾個(gè)好處：高能效；去除機械部件，高可靠性；實(shí)現簡(jiǎn)單的非隔離控制電路。
（來(lái)源：意法半導體 ，作者： Romain PICHON，Benoit RENARD）
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