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抑制浪涌電流的方法
點擊次數:144 更新時間:2024-04-01
  什么是浪涌電流?
 
  浪涌電流是電路打開吸收的最大電流,出現在輸入波形的幾個周期內。浪涌電流的值遠高于電路的穩態電流,高電流可能會損壞設備或觸發斷路器。浪涌電流通常出現在所有磁芯的設備中,如變壓器、工業電壓等。
 
  為什么會出現浪涌電流?
 
img1
  產生浪涌電流的因素有很多,比如一些去耦電容或平滑電容組成的設備或系統,在啟動時會消耗大量電流對其進行充電。
 
  下面的圖可以看到浪涌電流、峰值電流和穩態電流之間的差異:
 
  浪涌電流、峰值電流和穩態電流之間的差異
 
  為什么會出現浪涌電流?
 
  峰值電流:波形在正區域或負區域獲得的電流最大值。穩態電流:定義為電路中每個時間間隔保持恒定的電流。當 di/dt = 0 時,達到穩態電流,這意味著電流相對于時間保持不變。
 
  浪涌電流特性
 
  設備開啟時立即發生
 
  出現時間跨度短
 
  高于電路和裝置的的額定值
 
  發生浪涌電流的的一些示例
 
  白熾燈
 
  感應電機啟動
 
  變壓器
 
  打開基于SMPS的電源
 
  電源轉換器中的浪涌電壓
 
img2
  為了降低輸入/輸出的紋波噪聲或EMI噪聲,現在通常是在輸入側并聯電容或者濾波器,如下所示。由于濾波器中有電容,當系統開始上電時,由于輸入電壓的快速上升,會產生很高的浪涌電流。這種情況可能會導致前端電源供電不足,或者觸發過流保護,導致無電壓輸出,因此,浪涌電流的抑制變得越來越重要。
 
  a圖并聯電容,b圖并聯了濾波器
 
  抑制浪涌電壓的方法
 
  被動抑制
 
  如下所示,主要用于應用電路需要外接大量電容時。如果沒有外部限流電路,直流母線電壓開啟時會產生很大的浪涌電壓,可能導致前端電源壓降進入保護模式。此時,只需在電容輸入串聯電阻和二極管即可,可以減輕浪涌電流。當直流母線通過電阻給電容充電時,可以限制浪涌電流,但是,當直流母線需要供電時,電容可以通過二極管將電能反饋給直流母線
 
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主動抑制
 
img4
  另一種是采用帶軟啟動電路的有源開關來限制浪涌電流。如下所示,MOS管通過軟啟動電路緩慢開啟,因此,可以限制啟動期間的浪涌電流,優點是不影響系統效率,不受緩解溫度影響。缺點是需要外接電路,整體成本較高。
 
  采用帶軟啟動電路的有源開關來限制浪涌電流。
 
  使用MOS管浪涌電流限制電路
 
  使用MOS管浪涌電流限制電路
 
  如上所述,已經列舉了2種浪涌電流方法。下面介紹使用MOS管導通電路來抑制輸入電流此外,由于MOS管的導通損耗低,使用方便。優點是零件少,缺點是有功率損耗。下面介紹有源和無源浪涌電流限制電路
 
  有源浪涌電流限制電路(P-MOS管)
 
  下圖為使用P溝道MOS管的浪涌電流限制電路。P溝道的導通步長與N溝道基本相同,只是電壓相反。在初始階段,C1上的電壓為0V。輸入電壓通過R2充電到C1。最后C1上的電壓通過分壓R1和R2之間的電壓來確定。Q1 開啟狀態由 Vgs 電壓決定。
 
  -Vgs<-Vgs(th) 和 -Vgd<-Vgs(th)MOS管處于截止狀態,類似于開路。
 
  -Vgs>-Vgs(th) 和 -Vgd>-Vgs(th)MOS管處于歐姆模式。Vds和Id的特性就像一個電阻,隨著Vgs電壓的升高而變小。
 
  -Vgs>-Vgs(th) 和 -Vgd<-Vgs(th)MOS管 處于飽和模式。Id是固定值,不隨Vds變化。而且MOSFET的導通電阻很低,適合開關。
 
  有源浪涌電流限制電路(P-MOS管)
 
  從MOS管特性描述來看,歐姆模式適合抑制浪涌電流。至于R1、R2、C1的計算,可以用下面的公式:
 
img5
有源浪涌電流限制電路(P-MOS管)
 
  在相同的R1下,C1越大,MOS管工作在歐姆模式的時間越長,這意味著限制浪涌電流的效果會更好。
 
img6
無源浪涌電流限制器電路
 
  ·一般的無源方式是在輸入端串聯一個熱敏電阻,但由于熱敏電阻受環境溫度影響較大,當環境溫度較高或輸入電源多次快速開閉,將起不到保護作用。下圖給出了可以改善這種現象的電路,使用二極管和電阻并聯,與電容并聯。不僅可以抑制浪涌電流,而且不容易受溫度變化或者輸入電源快速打開和關閉多次的影響。工作原理是當有輸入電壓時,輸入電壓通過給R1和Cl充電,當系統負載需要電源時,Cl通過二極管向負載放電。
 
  無源浪涌電流限制器電路
 
  從圖中可以看出R1與浪涌電流成反比,因此可以通過以下公式計算R1:
 
  R1 損失
 
  無源浪涌電流限制器電路
 
  它可以粗略地看成是一個二倍的時間常數
 
  無源浪涌電流限制器電路
 
  阻力損失可以通過公式(6)得到.
 
  結論
 
img7
  為了加強DC/DC轉換器的抗噪聲能力,常用的方法是在輸入端加電容。但由于電容的特性,會在電源輸入端產生浪涌電流。如果不抑制浪涌電流,輸入電源可能因保護電路而無輸出,并可能損壞輸入電路或保險絲。上面介紹兩種抑制浪涌電流的方法,一種是利用MOSFET的導通特性來抑制浪涌電流。另一種是使用無源元件,通過電阻給電容充電,然后通過二極管放電回系統。有源抑制電路的效果優于無源抑制電路,但元件數量多于無源抑制電路。無源抑制電路的元器件使用最少,但必須考慮電阻的損耗和功率選擇。
 
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