一種新型大功率電源浪涌電流抑制電路的研究

白璐++黃曉燕

摘要：在大功率電源設(shè)計(jì)中，電路開通瞬間產(chǎn)生的浪涌電流問題異常突出。本文對(duì)大功率電源中浪涌電流的成因及傳統(tǒng)浪涌電流抑制電路的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，并結(jié)合理論分析與工程應(yīng)用提出了一種新型的浪涌電流抑制電路，對(duì)其電路的運(yùn)行和關(guān)鍵參數(shù)的選取進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：大功率電源；浪涌電流；浪涌抑制

中圖分類號(hào)：TM344 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）02-0140-03

1 引言

大功率電源已經(jīng)成為一些工業(yè)設(shè)備例如電力和控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。大功率電源由于輸入濾波電容較大（數(shù)千至數(shù)萬微法），會(huì)導(dǎo)致電源在啟動(dòng)瞬間形成數(shù)倍乃至數(shù)十倍于額定值的浪涌電流。浪涌電流過大會(huì)使大功率電源前端的空氣開關(guān)、繼電器、整流管等器件承受過大的工作電流，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致器件過早失效或壽命降低。近年來，由于大功率電源的應(yīng)用不斷增加，許多浪涌電流抑制技術(shù)和產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。基于浪涌抑制電路的技術(shù)發(fā)展，本文介紹了一種大功率電源浪涌電流抑制電路的設(shè)計(jì)，這種電路與傳統(tǒng)的浪涌抑制電路相比，浪涌電流大大減少，同時(shí)其所用元器件數(shù)量較少、控制簡(jiǎn)單、功耗低、性能可靠。

2 浪涌電流的成因分析

圖1為傳統(tǒng)電源輸入端電路原理圖。

電路啟動(dòng)瞬間，電容C1開始充電，由于電容充電初期內(nèi)阻很低，導(dǎo)致電流迅速增加，形成浪涌電流，浪涌電流最大值可通過公式（1）近似估算：

（1）

其中

k：整流系數(shù)；

Uin：交流輸入電壓；

f：整流后的脈動(dòng)電壓頻率（單相按100Hz計(jì)算，三相按300Hz計(jì)算）；

R：線路電阻；

C：電容容量；

L：電感感量。

由上式可以看出，浪涌電流If與輸入電壓Uin和電容容量C成正比，與線路電阻R及電感L成反比。由于大功率電源通常使用的初級(jí)濾波電容容量較大（通常幾千微法至幾萬微法）而線路電阻因?yàn)槭褂幂^粗的導(dǎo)線而較低（通常幾十到幾百毫歐），因此電源啟動(dòng)時(shí)會(huì)形成較大的浪涌電流。以下是20kW大功率電源產(chǎn)品（輸入380V，初級(jí)濾波電容5000uF）浪涌電流實(shí)測(cè)值（使用500A電流傳感器進(jìn)行測(cè)試，峰值電壓25.2V，換算成電流約為300A，持續(xù)時(shí)間4-6ms）：

從圖2可以看出最大浪涌電流已經(jīng)突破200A，而該電源每相額定電流值僅為30A，浪涌電流約為額定值的7倍，在這種情況下工作，大功率電源前端的器件必須留有充足的余量，同時(shí)由于器件頻繁在開機(jī)瞬間受到大電流沖擊，容易導(dǎo)致器件壽命下降。

3 傳統(tǒng)浪涌抑制電路的做法

根據(jù)上述浪涌電流成因的分析，傳統(tǒng)浪涌電流抑制電流有2種做法。

3.1 增加負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻限制啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流

圖3是利用NTC電阻限制浪涌電流的經(jīng)典電路（NTC加在交流側(cè)或直流側(cè)均可）。

負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC是一種熱敏器件，常溫下電阻較大，利用自身的高阻特性抑制浪涌電流，通電后由于自身損耗產(chǎn)生熱量，其阻值也隨之降低，因此在正常工作狀態(tài)下的功耗也會(huì)隨之降低。

該方法優(yōu)點(diǎn)為電路非常簡(jiǎn)單，只需串入一只NTC電阻即可。缺點(diǎn)為：1）由于NTC為熱敏器件，因此在關(guān)機(jī)后立即再次啟動(dòng)電源，由于NTC已經(jīng)處于高溫狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致NTC失去浪涌電流抑制效果。2）由于NTC為串聯(lián)在回路中的電阻，因此在大功率場(chǎng)合下（幾十安至幾百安），即使NTC電阻阻值下降到幾十毫歐級(jí)別，造成的功率損耗依然十分巨大。同時(shí)導(dǎo)致電源內(nèi)部發(fā)熱，影響其它器件壽命。因此該方法一般僅適用于小功率場(chǎng)合（功率小于10kW），并需要在控制端增加延時(shí)啟動(dòng)電路。

3.2 增加電感限制啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流

圖4是利用電感限制浪涌電流的經(jīng)典電路。

由公式（1）可以看出浪涌電流與線路電阻R及電感L成反比，增加電阻R或者電感L都可以有效降低浪涌電流。但通常在線路中增加電阻阻值會(huì)帶來極大的能量損耗和熱耗，因此可以通過增加電感L對(duì)浪涌電流進(jìn)行抑制。

電感是一種磁性器件，可以將電能轉(zhuǎn)化為磁能進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)具有抑制電流突變的作用，通電之后，電感可以在一定程度抑制電容產(chǎn)生的浪涌電流。該方法缺點(diǎn)如下：

1）電感感量與線圈匝數(shù)的平方成正比，在獲得較大的感量的同時(shí)線圈匝數(shù)也必須相應(yīng)提高，在大功率電路中，由于電流較大，所選用的鐵心和銅線體積也較大，在實(shí)際電路中由于體積有限因此很難將感量做到很大，通常僅能維持在幾百微亨至幾毫亨，對(duì)限制浪涌電流而言作用十分有限。

2）電感作為元器件串聯(lián)在回路中，產(chǎn)生銅損和鐵損形成發(fā)熱。

4 新型浪涌抑制電路運(yùn)行和計(jì)算

與傳統(tǒng)浪涌電流抑制電路相比，圖5所示的新型浪涌電流抑制電路在整流之后增加一只電阻和輔助開關(guān)即可達(dá)到抑制浪涌電流的作用。

電路工作原理如下：主開關(guān)為K1，輔助開關(guān)為K2，限流電阻為R1，電路啟動(dòng)時(shí)打開主開關(guān)K1，此時(shí)電路進(jìn)入預(yù)充電模式，由于限流電阻R1的存在，電容C1產(chǎn)生的浪涌電流大大減少。待電容C1充入部分電量后，輔助開關(guān)K2打開，此時(shí)電路進(jìn)入正常工作模式，將限流電阻R1短路，由于電容C1中已充入部分電量，接入主電路后，同時(shí)啟動(dòng)后，限流電阻通過輔助開關(guān)K2短路，并不串聯(lián)在主回路當(dāng)中，減少了限流電阻的發(fā)熱。

上述電路關(guān)鍵參數(shù)的選取：

1）輔助開關(guān)打開時(shí)間T。輔助開關(guān)打開越晚，電容C1通過電阻R1的充電就越充分，主回路正常啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流就越小。通過RC電路充電計(jì)算公式可以得出3-5RC后電容幾乎充滿電，2RC時(shí)即可沖到85%以上。

因此在條件允許的情況下，盡可能將K2打開時(shí)間控制在大于2倍RC以上。

2）輔助開關(guān)的電流容量。采用浪涌抑制電路后，輔助開關(guān)的電流容量只需要滿足主回路額定工作要求即可。

3）限流電阻R1的選取。電路最大浪涌電流取決于直流端電壓Vd和限流電阻R1的大小，Imax=Ud/R1，電阻R1的選取只需滿足Imax小于額定工作電流即可。

5 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)以20kW大功率電源作為試驗(yàn)平臺(tái)，初級(jí)濾波電容C1=5000uF，限流電阻R1=4.7kΩ/50W，輔助開關(guān)延遲打開時(shí)間為1min，采用浪涌抑制電路后輸入電流如圖6所示，可看出無論是浪涌電流的峰值還是持續(xù)時(shí)間均得到了減小。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的合理性。

6 結(jié)論

本文對(duì)大功率電源中浪涌電流的成因及經(jīng)典浪涌電流抑制電路的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，提出了新型浪涌電流抑制電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并對(duì)關(guān)鍵的工作參數(shù)進(jìn)行了解析。所運(yùn)用的元器件較少，損耗低，在大功率電源設(shè)備中應(yīng)用前景廣泛。

參考文獻(xiàn)

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