浪涌電流產(chǎn)生的原因與5種抑制沖擊電流的方法分析-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-04-29
開(kāi)關(guān)電源又稱交換式電源、開(kāi)關(guān)變換器，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，是電源供應(yīng)器的一種。其功能是將一個(gè)位準(zhǔn)的電壓，透過(guò)不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。開(kāi)關(guān)電源的輸入多半是交流電源（例如市電）或是直流電源，而輸出多半是需要直流電源的設(shè)備，例如個(gè)人電腦，而開(kāi)關(guān)電源就進(jìn)行兩者之間電壓及電流的轉(zhuǎn)換。
開(kāi)關(guān)電源不同于線性電源，開(kāi)關(guān)電源利用的切換晶體管多半是在全開(kāi)模式（飽和區(qū)）及全閉模式（截止區(qū)）之間切換，這兩個(gè)模式都有低耗散的特點(diǎn)，切換之間的轉(zhuǎn)換會(huì)有較高的耗散，但時(shí)間很短，因此比較節(jié)省能源，產(chǎn)生廢熱較少。理想上，開(kāi)關(guān)電源本身是不會(huì)消耗電能的。電壓穩(wěn)壓是透過(guò)調(diào)整晶體管導(dǎo)通及斷路的時(shí)間來(lái)達(dá)到。相反的，線性電源在產(chǎn)生輸出電壓的過(guò)程中，晶體管工作在放大區(qū)，本身也會(huì)消耗電能。開(kāi)關(guān)電源的高轉(zhuǎn)換效率是其一大優(yōu)點(diǎn)，而且因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源工作頻率高，可以使用小尺寸、輕重量的變壓器，因此開(kāi)關(guān)電源也會(huì)比線性電源的尺寸要小，重量也會(huì)比較輕。
若電源的高效率、體積及重量是考慮重點(diǎn)時(shí)，開(kāi)關(guān)電源比線性電源要好。不過(guò)開(kāi)關(guān)電源比較復(fù)雜，內(nèi)部晶體管會(huì)頻繁切換，若切換電流尚加以處理，可能會(huì)產(chǎn)生噪聲及電磁干擾影響其他設(shè)備，而且若開(kāi)關(guān)電源沒(méi)有特別設(shè)計(jì)，其電源功率因數(shù)可能不高。
通常在開(kāi)關(guān)電源起動(dòng)時(shí)，可能需要輸入端的主電網(wǎng)提供短時(shí)的大電流脈沖，這種電流脈沖通常被稱為“輸入浪涌電流(inrush current)”。輸入浪涌電流首先給主電網(wǎng)中的斷路器（main circuit breaker）和其它熔斷器的選擇造成了麻煩：斷路器一方面要保證在過(guò)載時(shí)熔斷，起到保護(hù)作用；另一方面又必須在輸入浪涌電流出現(xiàn)時(shí)不能熔斷，避免誤動(dòng)作。其次，輸入浪涌電流會(huì)產(chǎn)生輸入電壓波形塌陷，使供電質(zhì)量變差，進(jìn)而影響其它用電設(shè)備的工作。
如圖1所示的開(kāi)關(guān)電源中，輸入電壓首先經(jīng)過(guò)干擾濾波，再通過(guò)橋式整流器變成直流，然后通過(guò)一個(gè)很大的電解電容器進(jìn)行波形平滑，之后才能進(jìn)入真正的直流/直流轉(zhuǎn)換器。輸入浪涌電流就是在對(duì)這個(gè)電解電容器進(jìn)行初始充電時(shí)產(chǎn)生的，它的大小取決于起動(dòng)上電時(shí)輸入電壓的幅值以及由橋式整流器和電解電容器所形成回路的總電阻。如果恰好在交流輸入電壓的峰值點(diǎn)起動(dòng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)峰值輸入浪涌電流。
圖1 開(kāi)關(guān)電源輸入端簡(jiǎn)圖
最常用的輸入浪涌電流限制方法：串聯(lián)負(fù)溫度系數(shù)熱敏限流電阻器(ntc)
圖2 串聯(lián)NTC限制開(kāi)機(jī)浪涌電流
串聯(lián)負(fù)溫度系數(shù)熱敏限流電阻器ntc無(wú)疑是目前為止最簡(jiǎn)單的抑制輸入浪涌電流的方法。因?yàn)閚tc電阻器會(huì)隨溫度升高而降低。在開(kāi)關(guān)電源起動(dòng)時(shí)，ntc電阻器處于常溫，有很高的電阻，可以有效地限制電流；而在電源起動(dòng)之后，ntc電阻器會(huì)由于自身散熱而迅速升溫至約110oc，電阻值則減少到室溫時(shí)的約十五分之一，減少了開(kāi)關(guān)電源正常工作時(shí)的功率損耗。
優(yōu)點(diǎn)：
電路簡(jiǎn)單實(shí)用、成本低
缺點(diǎn)：
1. ntc電阻器的限流效果受環(huán)境溫度影響較大：如果在低溫（零下）起動(dòng)時(shí)，電阻過(guò)大，充電電流過(guò)小，開(kāi)關(guān)電源可能無(wú)法起動(dòng)；如果在高溫起動(dòng)，電阻器的阻值過(guò)小，則可能達(dá)不到限制輸入浪涌電流的效果。
2. 限流效果在短暫的輸入主電網(wǎng)中斷（約幾百毫秒數(shù)量級(jí)）時(shí)只能部分地達(dá)到。在這個(gè)短暫的中斷期間，電解電容器已被放電，而ntc電阻器的溫度仍很高，阻值很小，在需要電源馬上重新起動(dòng)時(shí)，ntc無(wú)法有效地實(shí)現(xiàn)限流作用。
3. ntc電阻器的功率損耗降低了開(kāi)關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率。
在做微小功率的開(kāi)關(guān)電源時(shí)，直接使用功率電阻限制浪涌電流。
圖3 直接串聯(lián)功率電阻限制浪涌電流（只適合微小功率開(kāi)關(guān)電源）
優(yōu)點(diǎn)：
電路簡(jiǎn)單、成本低、對(duì)浪涌電流的的限制方面幾乎不受高低溫的影響
缺點(diǎn)：
只適合微小功率開(kāi)關(guān)電源
對(duì)效率影響很大
NTC熱敏電阻與普通功率電阻并聯(lián)的方式來(lái)限制浪涌電流
圖4 NTC熱敏電阻與功率電阻并聯(lián)的方式來(lái)抑制開(kāi)機(jī)浪涌電流
常溫起機(jī)時(shí)，功率電阻與熱敏電阻并聯(lián)后的阻值來(lái)限制浪涌電流，在低溫起機(jī)時(shí)NTC熱敏電阻的阻值急劇升高但功率電阻阻值基本是不變的能保證低溫啟動(dòng)，不過(guò)在高溫實(shí)驗(yàn)時(shí)浪涌電路也很大。
優(yōu)點(diǎn)：
簡(jiǎn)單實(shí)用、對(duì)于常溫和低溫起機(jī)時(shí)效果不錯(cuò)
缺點(diǎn)：
效率影響較大
高溫浪涌電流大
串聯(lián)固定電阻器配合晶閘管，來(lái)限制輸入浪涌電流
圖5 串聯(lián)固定電阻器配合晶閘管來(lái)限制開(kāi)機(jī)浪涌電流
上電時(shí)，Vs截止，電流經(jīng)過(guò)R1，R1起到限流作用，達(dá)到一定條件，VS導(dǎo)通，將R1斷路。是效率損失大大降低。
優(yōu)點(diǎn)：
功耗低
對(duì)浪涌電流的的限制方面幾乎不受高低溫的影響
缺點(diǎn)：
體積大、成本高
利用MOSFET開(kāi)關(guān)管及延時(shí)網(wǎng)絡(luò)電路進(jìn)行浪涌電流抑制浪涌電流
圖6 利用開(kāi)關(guān)管延時(shí)電路進(jìn)行浪涌電流抑制浪涌電流
電路工作的基本原理是：由于DC-DC開(kāi)關(guān)電源的輸入端接有容性濾波電路，當(dāng)開(kāi)機(jī)加電瞬間由于需要為濾波電容C1、C2充電，所以瞬間產(chǎn)生較大的浪涌電流，此時(shí)在母線輸入的地線上介入的MOSFET（VT1）的漏原極之間并未導(dǎo)通，隨著R2、R3、DZ1及CA1組成的延時(shí)電路給MOSFET（VT1）的柵極加電，是MOSFET（VT1）的漏源極逐漸導(dǎo)通，從而有效減小了開(kāi)機(jī)瞬間由輸入端的容性濾波電路充電而產(chǎn)生的浪涌電流值。當(dāng)電路進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)下，其漏源極始終處于導(dǎo)通狀態(tài)。
由于實(shí)際的開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品產(chǎn)品設(shè)計(jì)中對(duì)于浪涌電流抑制不盡相同，可通過(guò)調(diào)節(jié)CA1的具體參數(shù)而獲得不同的浪涌電流抑制的結(jié)果。
優(yōu)點(diǎn)：
功耗低
常溫、低溫、高溫對(duì)浪涌電流的限制效果都特別好
缺點(diǎn)：
體積大
成本高
浪涌電流指電源接通瞬間，流入電源設(shè)備的峰值電流。由于輸入濾波電容迅速充電，所以該峰值電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)輸入電流。電源應(yīng)該限制AC開(kāi)關(guān)、整流橋、保險(xiǎn)絲、EMI濾波器件能承受的浪涌水平。反復(fù)開(kāi)關(guān)環(huán)路，AC輸入電壓不應(yīng)損壞電源或者導(dǎo)致保險(xiǎn)絲燒斷。浪涌電流也指由于電路異常情況引起的使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流。
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