浪涌电流会对电源设备造成问题，并导致这些设备对电源线和断路器的干扰。它还会影响电力系统的可靠性，因为上电时初始电流瞬时但巨大的浪涌会造成过应力。已知的限制交流-直流设备浪涌电流的解决方案 [1]，[2] 需要有损耗的元件，如电阻器或带有继电器分流器晶体管的传统 NTC 电阻器来衰减浪涌电流。我们在本文中描述的方法有两个目标：首先，说明数字控制的优势，它克服了现有技术的许多缺点；其次，提高人们对高功率转换器数字控制的兴趣，促进其下一代的发展。 人们对数字控制的兴趣日益浓厚，数字控制克服了现有技术的许多缺点，可以限制大功率转换器的浪涌电流，因此发起了这项设计。它将 IXYS 数字电源控制技术与 Zilog 的 8 位 Z8F3281 MCU 功能相结合，展示了一种独特的方法，即通过在每个半正弦波周期将电容器预充电电流限制为预定值，来控制大功率 AC-DC 整流器和带电容负载的 AC-DC 转换器中的浪涌电流。电容器充电分布在多个周期内，直到电容器充电到与交流电压源的峰值成比例。 IXYS 数字浪涌电流控制器具有可编程过载保护和“电源良好”状态信号。它不受断电、电压过低和环境温度变化的影响。它可以在 80V 至 240V AC 的输入电压范围内工作，负载电流高达 3A。整个操作过程和基本值都是完全可编程的。控制器可以编程为 50 Hz、60 Hz 或任何其他线路输入频率操作。 时间相关脉冲序列
图 1 给出了电路原理图，其中的关键概念是以相等的增量向大容量电容器提供电荷。电容器根据时间相关的脉冲序列充电。脉冲的设计方式是向电容器提供基本相等的电压增量，以使充电电流的峰值在每个周期保持大约相同的值。周期数取决于电容器值和充电电流。对于给定的电容器值（根据所需的纹波幅度选择），充电电流是脉冲数及其相对于整流正弦波的时序位置的函数。 我们可以考虑 N 个周期的浪涌控制操作，然后将半整流正弦波的归一化振幅分割为 N 个段，增量为 1/N，如图 2 所示。在周期 1 期间，Sw1 从时间戳 t1 到 T 处于开启状态（导通），从而使电容器 C 充电至与归一化值 1/N 成比例的电压。充电电流不会立即上升，因为它是串联 LC 谐振电路中的电流。这会将电流波形整形为谐振波形。电流会一直上升，直到电容器电压达到输入电压（不包括电压降）。 数字浪涌控制器的电路原理图
图 1：数字浪涌控制器的电路原理图 数字浪涌控制时序
图 2：数字浪涌控制时序 然后电流继续其谐振行为，因为 Sw1 仍在导通。由于输入电压降至电容器上的电压以下，因此不会发生进一步的振荡，然后 Sw1 关闭（不导通）。电容器保持预充电至与 1/N 成比例的电压。在周期 2 中，电容器 C 在与周期 1 类似的过程中由另一个电压增量 1/N 预充电。电容器 C 在 N 个周期内充电至与输入线电压成比例的电压值。 工作原理 控制浪涌电流的另一个变量是 LC 时间常数。电容 C 值取决于所需的纹波值。选择电容 C 值后，设计人员可以通过增加电感 L 来降低峰值浪涌电流。如果 L 值存在物理限制，则应使用周期数 N 来设置所需的峰值电流。 应为每个有效周期定义开关 Sw1 的开启时间。对于图 2 中的周期 1，从过零点（图 2 中的点 0）到开始开启 Sw1 的延迟 t1 表示为 T_off。t1 和 T 之间的时间，即保持 Sw1 开启的有效时间表示为 T_on，周期或周期持续时间表示为 T。 每次发生 i 的活动时间 T_on 定义为几何变换：
\large T_{on(i)} = \frac{T}{\pi \ 2} \ a \cdot sin \left ( \frac{i}{N} \right ) 周期 T 由 MCU 在初始化时测量。T_on 的值由 (1) 确定并存储在内存中。T_off 的值由固件根据以下表达式得出： \large T_{关}=T-T_{开} 图 3 概念性地说明了算法在 MCU Z8F3281 中执行时的行为。定时计数器（红线）对应于内部时钟提供的离散时间基的任何给定时刻的时间。计数器首先计数到绿线表示的 T_off 值。当计数器达到 T_off 值时，它会启动 T_on 脉冲（黄线），该脉冲会根据计数器达到的 T_on 值（洋红色线）继续。蓝线（整流电源线电压）供参考。洋红色表示每个周期的实际 T_on 时间值（以 ?s 为单位），黄色表示相对于整流电源线电压的 T_on 脉冲位置。
T_on 定时生成的图示。图例：蓝色 - 整流电源线电压，红色 - 全周期定时计数器，黑色 - 驱动器至 Sw1，绿色 - 时间 OFF 至 Sw1，洋红色 - 时间 ON 至 Sw1。 图 3：T_on 时序生成示意图。图例：蓝色 - 整流电源线电压，红色 - 全周期定时计数器，黑色 - 驱动器至 Sw1，绿色 - 时间 OFF 至 Sw1，洋红色 - 时间 ON 至 Sw1。 图 4 描绘了电容器 C 电流（绿线）相对于 T_on 脉冲的时序位置和幅度。需要注意的是，Inrush Controller 在一个周期内生成单个电流脉冲。因为在电容器 C 充电完成后，输入电压降至电容器电压以下，并且输入电源线通过二极管桥式电路与电路的其余部分隔离。电感器放电到电容器 C，然后开关 Sw1 在周期结束时关闭（不导通）。该算法基于无功功率传输，因此，损耗主要限于应变电阻上的损耗。 开关 Sw2 是可选的。它在本设计中用于在电容器完全充电后连接负载，以及添加过载保护功能。电容器预充电后，Sw2 在下一个周期的零交叉处激活。在图 4 中的模拟中，它发生在时间戳 0.066ms 处，此时电容器电流显示为负，因为电流来自电容器。Sw2 激活可以根据客户要求编程到任何其他时间戳点。 此外，MCU 还会生成 Power Good 信号，该信号可以相对于 Sw2 开启状态延迟，以便在执行其他功能之前让负载稳定下来。过载阈值也是可编程的，在当前设计中设置为 3.5A。 过载保护 过载保护是一项宝贵的功能，可在过载或持续过载时保护设备免遭损坏。如果比较器检测到过载，则 MCU 通过关闭 Sw2 断开负载并关闭 Sw1。过载保护可以编程为两种操作模式：(i) 立即关闭设备并等待用户干预和 (ii) 允许设备重新启动预定次数。 电容器 C 预充电。图例：蓝色 – 整流电源线电压，红色 – 电容器 C 相对于公共接地的电压，黑色 – 驱动信号至 Sw1，绿色 – 电容器电流。（未按比例）
图 4：电容器 C 预充电。图例：蓝色 - 整流电源线电压，红色 - 电容器 C 相对于公共接地的电压，黑色 - 驱动信号至 Sw1，绿色 - 电容器电流。（未按比例绘制） 初始预充电和连接负载后，MCU 可以重新配置以执行其他电源管理任务。例如，它可以执行功率因数校正 (PFC) 控制并跟踪设备性能、过载情况、断电、电源电压下降等。根据收集的信息，MCU 能够告知用户设备的可靠性状态并提供系统性能的统计信息。 IXYS 数字浪涌控制器 图 5 (a) 和 (b) 显示了 IXYS 数字浪涌控制器，它由一个 MCU 模块和一个主电源板组成。图 6 中包含了详细的电路原理图。MCU 模块作为附加设备实现。该模块包括用于 MCU 编程的连接器。在为整个系统供电之前，应先对 MCU 进行编程。MCU 模块由辅助电源 +3.3V（用于 MCU）和 12V（用于栅极驱动器）供电，这些电源施加到主电源板上的连接器 J4。
（a）MCU 模块和（b）带 MCU 模块的主电源板 图 5：(a) MCU 模块和 (b) 带 MCU 模块的主电源板 主电源板是一块双层 PCB，带有二极管桥、MOS-FET Q1 (Sw1) 和 Q2 (Sw2)，安装在小型散热器上。在 375 W 输出功率下，这些散热器上的功耗小于 5 W。该板可由 50 或 60 Hz 交流电源供电。 MCU 模块详细原理图 主电源板详细原理图
图 6：详细原理图（a）MCU 模块和（b）主电源板 测试数字浪涌控制器 设计的性能已通过多项台架测试验证。图 7 显示了测试结果的示波器快照。测试证实，浪涌电流被限制在预定义值，限制器的性能非常接近仿真结果。浪涌电流的幅度被限制为等于负载下的输入电流的值，以限度地减少对交流线路的负面影响，并限制电磁干扰 (EMI)，方法是选择浪涌电流脉冲数等于 16 和电感器 100 μH。交流输入线通过隔离变压器连接。输出电容器完全充电后，负载连接到整流电压过零半波处（见图 7 中的红线）。 数字浪涌电流控制的示波器快照。图例：橙色 - 电源线电流 (10A/div)，青色 - 负载电压 (50V/div)，洋红色 - 整流输入电压 (50V/div)，蓝色 - Sw1 驱动信号。
图 7：数字浪涌电流控制的示波器快照。图例：橙色 - 电源线电流 (10A/div)，青色 - 负载电压 (50V/div)，洋红色 - 整流输入电压 (50V/div)，蓝色 - Sw1 驱动信号。 图 7 显示了器件输入端的 Sw1 栅极驱动脉冲（蓝线）和整流电压（洋红色线）。由于测试期间使用的隔离变压器的输出功率有限，连接负载后整流电压略有下降。橙线表示线电流，青色线表示负载电压。经验证，系统在满载或正常运行时可提供 2.5A 输出电流。浪涌电流限制为 10A。 测量的浪涌控制路径效率为 99.5%。该设备能够在宽范围的输入电压下工作：80V 至 240V。测试的电源线频率范围为 50 Hz 和 60 Hz。针对每种电源线频率开发了专用的控制脉冲序列。要施加更高的电源线电压，实施时需要更长的控制脉冲序列。例如，将交流线电压从 110V 增加到 220V 需要比 110V 两倍的预充电时间才能获得相同的峰值浪涌电流。 过载保护基于对大容量电容器动态电流的持续监控，在过载情况下，电容器 C 的电流会立即增加，MCU 内的比较器会启动系统过载模式。过载电流阈值、过载实例数和过载事件之间的周期都是可编程的。通过测试过载情况，系统响应已成功验证。负载已增加到 3.5A 的输出电流，从而触发过载保护。系统还经过连续过载测试，导致多次尝试重新启动系统并立即中断。在过载情况下不存在电源良好状态。此过载保护对电源中断、电压降低和温度变化不敏感。
