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浪涌電流是什么意思?如何抑制?4種浪涌 電流抑制電路

日期:2024-05-31 21:11
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摘要: 一、什么是浪涌電流? 浪涌電流是電路打開吸收的*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。 二、為什么會出現浪涌電流? 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...

一、什么是浪涌電流?

浪涌電流電路打開吸收的*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。

二、為什么會出現浪涌電流?

       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

峰值電流:波形在正區域或負區域獲得的電流*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

  • 高于電路或裝置的額定值

發生浪涌電流的一些示例:

  • 白熾燈

  • 感應電機啟動

  • 變壓器

  • 打開基于 SMPS 的電源

三、電源轉換器中的浪涌電壓

      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

四、抑制浪涌電壓的方法

1、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。

2、主動抑制

        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。

五、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。

1、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。*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:

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。

2、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

t 可以粗略地看成是一個二倍的時間常數

阻力損失可以通過公式(6)得到。

六、結論

       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*少,但必須考慮電阻的損耗和功率選擇。



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