一种控制启动电流的全新电路结构和器件

控制启动电流最常见的两种解决方案：一种是在整流器上串入一个阻抗，另外一种方案是将阻抗与一个硅通路元件或者机电继电器并联，再与整流器串连。本文提出了采用先进的ASD工艺而制作的全新电路结构和器件，并介绍了基于这一新工艺的新的电路结构及优点。

AC/DC电源启动时，将产生一个高达系统标称电流50倍的启动电流对输入电容充电。该启动电流会导致主电源上电压降的产生，从而影响连接到同一个电源网络上的其它设备的正常工作，甚至熔断输入线路熔丝。

离线电源的前端如图1所示，由一个桥式整流器和一个大容量滤波电容组成。启动时对大容量滤波电容的充电会在输入端产生一个通常称之为启动电流的浪涌电流。如果不限制这一启动电流，那么输入熔丝就可能熔断或者可能触发电路保护断路器。在这里介绍一种可控硅整流桥，也称为BSCR的新结构，以及采用先进的ASD技术制作的一种相关的器件。

BSCR结构

图2显示了一个BSCR电路，SCR与整流桥中的整流二极管以及限流电阻器之间的连接如图中所示。启动时电流会流经整流桥上面的两个二极管D1和D2，并受到启动电阻R_inrush的限制。

大容量电容器被充电时，会产生一个类似附属电源耦合到PFC升压电感器上，打开并为SCR1和SCR2提供栅极驱动电流。如图2所示，它也包括一个PFC变换器，然而没有PFC变换器BSCR电路也能工作，在这种情况下，附属电源会与主变换器耦合。

在标称工作情况下，SCR会旁路整流桥上面的两个二极管D1、D2和启动电阻R_inrush，而且AC输入电流会通过SCR以及整流桥下面的两个二极管D3和D4进行整流。同使用双向可控硅的串连结构或者单个SCR同整流桥串连的结构进行比较，BSCR电路的损耗通过传统二极管桥中的两个二极管的等效损耗降低了。

提高SCR可靠性能

要满足需要的性能，选择适合特定应用的SCR非常重要。SCR分成两大系列：敏感栅SCR以及标准器件。敏感栅SCR的最小栅极触发电流大约为几十微安，而标准SCR的栅极触发电流则达到了几毫安的范围。然而栅极敏感度的提高也会带来损失，即降低了抗dv/dt变化的能力。SCR以及双向可控硅非常容易地为加到端口上高的dv/dt所触发，并通过器件上的寄生电容将电荷耦合到栅极上。敏感栅SCR可以经受阳极阴极之间大约10V/us的dv/dt变化，而标准SCR则可以经受更高的dv/dt变化，通常高达400V/μs。

为了提高敏感栅SCR的可靠性，可以在栅极和阴极管脚之间增加一个外部电容。该电容可以吸收栅极管脚上dv/dt噪声电压产生的寄生电流，从而避免任何预料之外的触发脉冲的 影响。

选择SCR的另外一个考虑就是器件反向偏置时的耗损。这种耗损是由反向泄漏电流以及反向偏置泄漏电流组合引起的，损耗大小正比于栅极电流。在BSCR结构中，SCR由图5中的恒定电流触发。在SCR上施加反向电压时，反向偏置泄漏电流I_gt-rev正比于SCR中由阴极流向阳极的栅极电流I_gt。该电流加入到正常的反向泄漏电流I_rev中。因此，流过SCR的总的反向电流I_k可由下式计算：

I_k = I_gt-rev + I_rev (1)

不考虑反向电压(V_rev)幅度，并假定总的反向电流是恒定的常量，那么SCR的反向损耗可以由下面的等式给出：

P_rev-loss = V_peak×I_k/π (2)

这里V_peak是AC主电源的峰值电压，而I_k是总的反向泄漏电流。

将敏感栅SCR(X0802)和标准SCR(TYN808)两种不同类型SCR泄漏电流测量结果比较，可以发现在不同栅极电流I_gt情况下总的泄漏反向电流(I_k)与施加到SCR上反向偏置电压V_rev之间的关系：在同样的反向电压以及相对应的栅触发电流的情况下，敏感栅SCR的泄漏电流I_k＝100μA，大约比标准SCR的I_k= 9.2mA低100倍左右。因此，敏感栅SCR的反向损耗也要比标准SCR低大约100倍左右。

所以，敏感栅SCR总的反向损耗可以忽略不计。然而，对于静态dv/dt的高度灵敏性使得这些SCR不适合某些特定的应用。因此，必须在三个参数之间进行适当的取舍：静态dv/dt，栅极电流I_gt，以及反向泄漏电流I_k。这些考虑将影响到设计中对于一些新的专属器件的选择。

平面型ASD技术

新的平面型特殊应用离散(ASD)技术由意法半导体公司研发，可以在单一的硅片上集成多个功率离散器件和无源器件，如双向可控硅、SCR、二极管、晶体管和电阻。该技术是一种可靠的技术，可以恰当地处理上述的折衷。具体地说，用ASD工艺设计的SCR在同样的栅极触发电流情况下支持比标准SCR高出三倍的dv/dt。

STIL02介绍

ASD工艺可以在一个器件中集成专用于启动电流限制功能的两个单向开关。STIL02基于BSCR结构，这种新的器件提供极高的静态dv/dt，无需缓冲就可以高出300V/μs的范围；这两个开关具有小于20mA极低的导通电流，并且总的反向泄漏电流I_k即使在导通电流触发的情况下也小于300μA(对于单个开关，在V_rev=400V的条件下)。

BSCR电路中STIL02的性能

a.抗dv/dt变化的能力

加电时，在变换器的前端位置处会出现振荡。这种尖峰脉冲通常都非常窄，并且直接位于跨越整流桥的位置，因而会在SCR上产生很高的dv/dt。如果栅极太敏感，那么在大容量电容器充电之前dv/dt就可能误触发SCR。如果出现这种情况，由于SCR旁路了电流限制元器件因而启动电流就无法受到限制。

图4显示出不同类型SCR以及STIL器件的抗dv/dt能力。图中显示了包括与不包括栅极到阴极电容(0.1μF)时敏感栅SCR的抗dv/dt能力。包括这一电容时，敏感栅SCR X0802的抗dv/dt能力达到120V/μs。然而，即使在增加了这一电容的情况下，X0802也不能够满足高达280V/μs的dv/dt尖峰脉冲。而只有标准SCR或者STIL02能够经受如此高的dv/dt。

b. 反向功率损耗的比较

下表中列出了由等式2计算出来的每种器件反向泄漏产生的损耗。使用标准SCR，反向损耗接近900mW，而STILxx或者敏感栅SCR的反向损耗大约降低90倍。

c. 效率比较

测量一个70W的变换器效率来说明反向栅极电流，以及相应的反向功率损耗对于一个离线变换器总的性能影响。变换器最初是用一个独立的NTC与二极管桥串连在一起。它被修改为图2中的BSCR结构，并且保留了最初的二极管桥和NTC。

在不同的系统负载情况下对ASD、敏感栅SCR和标准SCR三种不同工艺器件进行效率测量。对测量结果比较显示，使用STIL02或者敏感栅SCR的BSCR电路在低的线路电压以及高负载的情况下，与使用独立NTC的串连结构相比较可以获得大约1.5%的效率提升。标准SCR同敏感栅SCR或者STIL02相比，无论线路电压如何，较高的反向电流都将导致超过2%的效率降低。

本文结论：

本文介绍了用在启动电流限制电路中的单片器件STIL02。该器件采用ASD工艺设计，具有非常低的反向泄漏以及非常高的抗dv/dt能力，适合BSCR结构的需要。与采用标准工艺相比较，STIL02具有更好的抗dv/dt瞬变的能力，以及因为反向泄漏而导致的更低损耗，因而适合用于离线电源设备。

参考文献：

[1] R.Pezzani - E.Bernier - C-Ballon, "A methodology for the functional power integration", EPE'97 Trondheim Vol.1 Sept 97[2] M.Sauvanat - P.Rault, "The TRIAC", Application note AN301, STMicroelectronics

作者：

Igor BIMBAUD

行销工程师

Benoit Peron

应用与系统工程师

意法半导体公司