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功率技術/新能源  

透過最大負載週期限制功能精確測量電流

上網時間: 2006年08月03日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:TI  功率因數校正  EN/IEC61000-3-2  諧波  負載週期 

許多國家規定任何電子裝置汲取的電力只要超過某個定值,其電源諧波內容就必須符合一定要求,例如美國就要求功率超過75W的裝置必須遵守此規定(EN/IEC61000-3-2)。這項要求是為了讓電力線路提供最大的功率傳輸,同時限制其中的諧波成份。要符合這項規定的最好方法是讓電力線路的電流緊跟著輸入電壓波形。由於功率因數校正電路能讓輸入電流跟著電源電壓而改變,因此是達成這些要求的理想做法之一。只不過這些電路的設計向來都極為複雜。

功率因數校正電路必須測量電流大小,再將測量結果傳給控制器元件。然而高功率裝置的龐大輸入電流在通過感測電阻時卻會產生可觀耗電,因此設計人員通常會選擇等比率電流感測變壓器來避免這個問題;設計人員只要將比流器與功率因數校正控制器所控制的開關元件串聯,就能在耗電極小的情形下精確測量電流大小。然而,這種電流測量方法看似完美,卻會在控制器負載週期接近100%時出現問題。這是因為比流器是一種磁性裝置,其伏特-秒平衡(V/s)的多個週期積分必須等於零,但比流器固有的寄生電路效應卻可能讓它無法在極短的截止時間內回歸為零。這種情形會導致比流器的磁通量不斷增加,最終進入飽和狀態。此時比流器提供給控制器的資訊將完全錯誤,甚至可能導致電路故障。想要避免這個問題,設計人員必須對最大負載週期做出適當限制。

功率因數校正電路之類的脈衝寬度調變(PWM)轉換器都是藉由控制開關元件的導通和截止時間(負載週期)來達成其作業目標。磁性裝置會在開關導通時儲存電能,在截止時釋出電能。

最大導通時間和最小截止時間的比值通常是由‘導通比電路’控制,也就是系統中的斜坡電壓產生器(ramp generator)。最大導通時間多半是指利用斜坡電壓對電容器進行充電的所需時間,最小截止時間則是所需的放電時間。舉例來說,UCC3817就是透過單顆電阻控制的兩個電流源來設定這些電流,其中放電電流被設定為充電電流的19倍。

功率因數校正控制器通常必須使用接近100%的負載週期才能避免作業失真;就此角度而言,19:1負載週期似乎已相去不遠,事實上它對於電阻式電流感測確實已經足夠。但若設計人員使用很高的開關頻率,同時又選擇比流器來感測電流大小,那麼比流器在最大負載週期時可能就無法將磁場歸零。

解決這個問題的方法是增加斜坡電壓的下降時間來延長截止時間,進而確保比流器有足夠的時間讓磁場歸零。這雖會造成電流波形零點交越失真略增,但仍在可接受的範圍內。

本文介紹的兩種電路都提供簡單且低成本的負載週期限制功能,它們還能修改以滿足電路需求。本文將說明電路作業方式並顯示斜坡電壓波形。在這兩種電路中,電路A對於其餘部份影響最小,電路B則是由加拿大多倫多的SAE Power提供,它所使用的零件數目比電路A還少一個。這兩個電路的目標都是將最小放電時間延長。

圖1所示的電路A包含QA1、DA1和CTA2等三顆額外零件(與原電路設計相同,只不過此圖中未顯示的Rt值可能減少5%)。電晶體QA1在正斜坡期間會對CTA2電容器進行充電,其速率與UCC3818對電容器CT的充電速率相同,但最高電壓會比CT電壓還低一個Vbe。受到電晶體增益影響,斜坡電壓的充電時間會保持不變(誤差少於1%)。


圖1:電路A

CT接腳的電壓達到峰值後,就會以正常速率下滑(即原電路的下滑速率),直到其下降幅度等於Vbe與二極體電壓降之和為止。此時UCC3818內部電流源會開始從CT和CT2汲取電流,CT接腳在經過最初的電壓下降階段後,其新的dv/dt會等於兩顆電容器經由固定電流源放電時的電壓下降速率。若第二顆電容器的電容器值與原電容器相同,而且斜坡電壓的峰值至峰值遠高於二極體電壓降與Vbe之和,那麼新的截止時間約會等於原截止時間的兩倍。

下列公式可根據新的下降時間T2更準確計算出電容器值:


其中Vpp是斜坡電壓的峰值至峰值,CT是原電容器值,TI則是原電路的下降時間。

頻率是另一項會跟著改變的參數,這是因為上升斜坡的時間沒有改變,下降斜坡的時間卻已延長。由於頻率變動幅度約為總頻率的5%,我們只要將Rt電阻值減少同樣比例就能得到原來所要的頻率。

增加電路A所造成的影響可從圖3和圖4之間的差異看出,其中圖3是未增加零件前的波形,圖4則是修改電路後的結果。在這個例子中,新增加的電容器與原電容器的電容器值完全相同,圖3a和圖4a除了顯示同一個波形外,還包含此電路產生的最大負載週期脈衝以及該脈衝因為下降時間改變而出現的變化。從圖中可看出頻率改變幅度約為6%。


圖3:原電路波形


圖3a:未增加閘極驅動的波形


圖4:增加電路A後的波形


圖4a:增加閘極驅動後的波形

由於斜坡電壓的峰值和谷值並未改變,充電斜坡也仍然保持線性,所以控制迴路增益的運算值依然適用。

下降斜率的差異可由圖5和圖6的波形看出。圖5a和圖6a則顯示最大負載週期脈衝,特別是截止時間的增加情形。


圖5:原電路波形


圖5a:原電路的最大負載週期


圖6:增加電路A後的波形


圖6a:修改電路後的最大負載週期

射極電阻的負阻抗雖可能導致電路產生振盪,實驗結果卻證明這個問題並不大。

圖2所示的電路B額外增加了電晶體QB1和電阻RB1等兩顆零件。


圖2:電路B

當電路進入充電週期後,CT接腳的輸出電流會透過RB1對電容器CTB充電。由於RB1電阻值相對較小,所以幾乎不會對充電週期造成任何影響。

電壓達到峰值後,CT接腳就會透過RB1從電容器和電晶體汲取電流。電容器的電流會受到電阻RB1以及電晶體Vbe電壓的限制,當電阻RB1兩端電壓等於電晶體QB1的Vbe電壓時,電晶體就會導通並提供CT接腳所需的任何電流。

電容器會以相當於Vbe/RB1電流值的線性速率放電,直到CT接腳電壓降到最小值。我們可以選擇RB1的電阻值來調整放電速率。

必須注意的是CT電壓到達峰值後會立刻下降一個Vbe。等到放電週期結束時,原本已降為最小值的CT電壓則會立刻升高一個Vbe。

圖7是電路時序零件尚未改變時的電壓波形,圖8則是將原電路改成電路B後的時序電路波形。

在斜坡電壓的底部作業時,電流方向會反轉,CT接腳電壓也會立刻上升到比斜坡底部電壓還高出一個Vbe加上RB1乘以充電電流的位置。由於充電電流非常小,所以RB1兩端的電壓可忽略不計。

這會產生兩方面的影響。首先是作業頻率會因為斜坡電壓的有效振幅改變(峰至峰振幅減少一個Vbe)而大幅移動,此現象可從圖9和10看出:雖然下降斜坡所增加的時間只有總時間的6%左右,頻率增加幅度卻會達到10%(參考圖9和10)。


圖9:原電路的CT電壓下降斜率


圖10:修改為電路B後的下降斜率

下降時間延長一倍可能導致頻率改變5%,但是上升時間改變的影響更大。在這個斜坡電壓等於4.2V的例子中,放電時間只要增加5%就會造成斜坡電壓的斜率減少約15%(一個Vbe),頻率更會增加約10%。這個電路的作業頻率比電路A更容易受到溫度影響,這是由於Vbe會影響上升斜坡的有效範圍,而上升斜坡又比下降斜坡還淺的緣故。

第二個影響是斜坡電壓的有效振幅改變。從圖7和8可以看出斜坡電壓在峰頂和谷底的轉折點(trip point)雖仍然相同,其有效範圍卻會如同步階函數在每個週期剛開始時所設定的減少一個Vbe。設計人員應根據這個新的峰至峰振幅來修改增益方程式。


圖7:原電路波形


圖8:電路B的放電波形

這將會對增益方程式產生很大影響,這是因為斜坡電壓振幅是方程式的參數,而且它會減少將近16%。

本文介紹的兩種電路都能增加功率開關元件的最小截止時間,在某些電路應用中,可能需要會需要這些設計才能將比流器的磁場歸零,以避免出現嚴重故障。

John Bottrill

德州儀器




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