如何利用SCR轻松驱动AC／DC转换器启动？

作者： 意法半导体 Romain PICHON，Benoit RENARD

I.前言

过去十年，新装服务器的市场需求增长迅猛，2015到2022年复合年均增长率达到了11%。拉动市场增长的动力主要来自以下几个方面：首先，个人文件无纸化和企业办公数字化进程加快；其次，全球健康危机期间的居家办公，新媒体平台融入个人生活，致使屏幕使用时间大幅增加；最后，随着人工智能的兴起和普及，这个市场将继续保持高速增长。在这个背景下，给服务器设计开关电源殊为不易，主要是处理高热耗散问题，以及降低这种大型可扩展设备的维修成本，这是摆在电源开发者面前的两大难题。

基于可控硅来解决这两大问题的方案应运而生，提出了用可控硅替代传统机电开关的设计在开关电源的AC/DC部分的启动功能的方案。

II.先进技术

a)原理

在 AC-DC功率转换器启动过程中，大容量电容直流充电时会产生高于系统标称稳态电流10 倍的大电流，这种涌流会在市电交流电源上产生电压降，从而影响同一电源连接的其他设备的正常运行。在IEC61000-3-3标准里有电压波动和频闪的定义。

要想保护电气设备的安全和功率转换器的可靠性，必须抑制这种浪涌电流。事实上，浪涌电流可能会触发或烧毁电源串联的设备，例如，断路器、保险丝、电容器或桥式整流器。

有三种解决方案可以抑制电气设备连接电源时产生的浪涌电流：

- 用继电器并联NTC或PTC热敏电阻，在电源恢复到稳态后短接启动电阻，传输电能，降低电阻的电能损耗；
- 用SCR可控硅代替方案1的继电器；
- 用SCR设计软启动的导通配置

关于每个涌流抑制解决方案在启动阶段和稳态阶段的工作原理图，见图1。

图1：AC/DC转换器：浪涌电流抑制电路拓扑

b)为软启动寻找一个适合的方法

以前的标准拓扑是用机电继电器建立一条旁路，绕过管理浪涌电流的NTC热敏电阻。用 SCR建立旁路也可以实现同样的效果。现在更加优化的方法是采用软启动拓扑。

通过用相位角控制SCR开关操作，可以把PFC输出电容器的电压平稳地提高至交流线路的峰值电压。MCU控制预充电流峰值，并同步SCR栅极驱动信号的相位角步长（图2中的Δt）。

图2：采用纯SCR拓扑的软启动

不难发现，I_LINE 峰值和 Δt 值是相关的：Δt值越大，I_LINE 峰值越高，系统启动越快。

c) 纯SCR涌流抑制拓扑的优点

软启动拓扑允许设计人员不用机电元件和无源元件（即 NTC 或 PTC）就能处理在应用启动阶段出现的浪涌电流，从而降低AC/DC整流部分的物料成本。

通过用MCU 控制SCR 的导通，设计人员可以轻松设置线路电流大小，改善启动时间，同时满足IEC61000-3-3标准。

SCR可控硅X1 和 X2 正在取代下桥臂上的标准整流二极管，可控硅驱动电路是由一个双向晶闸管Q1和两个小二极管D1和D2组成。

因为采用这种驱动器配置，MCU可直接控制SCR导通，无需额外隔离电路和交流线路极性检测。只要被施加正偏置电压后，SCR就能正向导通，因此当将栅极电流反向施加到未使用的SCR时，没有潜在功率损耗的风险。

这种全固态浪涌电流管理方案没有笨重的活动的机械元件，因而改进了电源的可靠性和使用寿命。此外，应用中不再有因为继电器触点弹跳产生的EMI噪声。与继电器相比，可控硅没有老化问题。

图 3从能效、功率密度、使用寿命、声学噪声和电磁干扰几个方面比较了16A SCR和16A机械继电器的应用性能。

图3：SCR与机械式继电器性能对比

III. 数据中心的电力损耗非常严重

数据中心SMPS设计人员面临的主要难题是功率损耗。即使散热方法不断改进，不管是水冷还是油冷，首要手段仍然是限制转换器分立功率器件的电能损耗，使开关电源尽可能达到最高能效。

a) 基于继电器的1500W电源与基于SCR的1500W电源能耗对比

我们在1500 W电源装置(PSU)上测量了纯SCR解决方案的能效。该电源的最初配置使用的是机械继电器，我们用意法半导体开发的评估板（STEVAL SCR002V1）替换机械继电器，在电源上实现一个纯SCR的启动拓扑。图 4 显示了两种解决方案在输出负载从 10% 到100% 时的能效。

SCR 拓扑的能效与继电器的能效完全相同。

图4：1500 W电源能效对负载比曲线图

b) 150°C 结温下的 SCR 损耗优化

选择正确的 SCR 对于防止高功率损耗和可能的过热现象非常重要。意法半导体开发了一系列AC/DC转换器专用的SCR。

150°C最大结温是关键参数。图 5描述了 16A SCR（TN1605H-8I）在高温条件下的通态特性。在150 °C结温和RMS 6.5 A电流（在1500 W / 230 V电源上）时，SCR 的通态压降低于正常温度25°C 的通态压降，所以，SCR在高温工作时的功率损耗会更低。

在高温工作时，SCR还有其他优点：较低的散热要求、更宽的温度裕量、更高的可靠性。

图5: 16A SCR在高温通态时的特性

VI. 电路实现及工作方式

设计者的第一个问题是“如何设计整流桥中的SCR栅极电路”？

这个问题很容易回答，因为下面的栅极电路是由分立器件组成的，由 MCU 直接控制，并且不需要给接口额外加隔离器件。

为了简单地解释电路的工作原理，我们只讨论交流线路正弦波的正半波，下面是电路运行方式：SCR可控硅X2 是由 Q1 通过二极管 D2导通。因此，一旦 MCU激活Q1，X2也会导通。Q1栅极电流来自MCU，而X2 栅极电流是通过Q1和D2接收的交流电源的电流。

图6：电路工作方式

在正弦波的正半周期，D1二极管被反向偏置，因此没有栅极电流流过 X1 SCR的栅极，从而防止SCR 漏电流导致的反向损耗增加。

在浪涌阶段，MCU 控制Q1三端双向可控硅开关元件的相位角，因此，X2 SCR也是用相位角控制。浪涌电流流经 D3、PFC 输出电容(C)、X2 SCR，然后回到零线。Vdc充电顺利。

在稳定状态下，PFC导通，MCU控制Q1三端双向可控硅全波段导通，X2可控硅导通。在交流电源正弦负半周期也是同样的操作，使用相同的MCU I/O 信号。

结论

纯SCR拓扑及其专用的非绝缘驱动器可以轻松地替代机电继电器和/或无源元件解决电气设备启动时的浪涌电流问题，这个基于高结温SCR的完整固态解决方案非常适合功率密度非常高的应用场景，例如，数据中心的SMPS电源。该方案有以下几个好处：高能效；去除机械部件，高可靠性；实现简单的非隔离控制电路。

本文作者：

Romain PICHON – 意法半导体晶闸管应用


Benoit RENARD – 意法半导体晶闸管市场营销