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一种新型大功率电源浪涌电流抑制电路的研究

  摘要:在大功率电源设计中,电路开通瞬间产生的浪涌电流问题异常突出。本文对大功率电源中浪涌电流的成因及传统浪涌电流抑制电路的优缺点进行了分析,并结合理论分析与工程应用提出了一种新型的浪涌电流抑制电路,对其电路的运行和关键参数的选取进行了分析。
  关键词:大功率电源;浪涌电流;浪涌抑制
  中图分类号:TM344 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2017)02-0140-03
  1 引言
  大功率电源已经成为一些工业设备例如电力和控制系统的关键部分。大功率电源由于输入滤波电容较大(数千至数万微法),会导致电源在启动瞬间形成数倍乃至数十倍于额定值的浪涌电流。浪涌电流过大会使大功率电源前端的空气开关、继电器、整流管等器件承受过大的工作�流,严重时导致器件过早失效或寿命降低。近年来,由于大功率电源的应用不断增加,许多浪涌电流抑制技术和产品应运而生。基于浪涌抑制电路的技术发展,本文介绍了一种大功率电源浪涌电流抑制电路的设计,这种电路与传统的浪涌抑制电路相比,浪涌电流大大减少,同时其所用元器件数量较少、控制简单、功耗低、性能可靠。
  2 浪涌电流的成因分析
  图1为传统电源输入端电路原理图。
  电路启动瞬间,电容C1开始充电,由于电容充电初期内阻很低,导致电流迅速增加,形成浪涌电流,浪涌电流最大值可通过公式(1)近似估算:
  (1)
  其中
  k:整流系数;
  Uin:交流输入电压;
  f:整流后的脉动电压频率(单相按100Hz计算,三相按300Hz计算);
  R:线路电阻;
  C:电容容量;
  L:电感感量。
  由上式可以看出,浪涌电流If与输入电压Uin和电容容量C成正比,与线路电阻R及电感L成反比。由于大功率电源通常使用的初级滤波电容容量较大(通常几千微法至几万微法)而线路电阻因为使用较粗的导线而较低(通常几十到几百毫欧),因此电源启动时会形成较大的浪涌电流。以下是20kW大功率电源产品(输入380V,初级滤波电容5000uF)浪涌电流实测值(使用500A电流传感器进行测试,峰值电压25.2V,换算成电流约为300A,持续时间4-6ms):
  从图2可以看出最大浪涌电流已经突破200A,而该电源每相额定电流值仅为30A,浪涌电流约为额定值的7倍,在这种情况下工作,大功率电源前端的器件必须留有充足的余量,同时由于器件频繁在开机瞬间受到大电流冲击,容易导致器件寿命下降。
  3 传统浪涌抑制电路的做法
  根据上述浪涌电流成因的分析,传统浪涌电流抑制电流有2种做法。
  3.1 增加负温度系数的热敏电阻限制启动时的浪涌电流
  图3是利用NTC电阻限制浪涌电流的经典电路(NTC加在交流侧或直流侧均可)。
  负温度系数热敏电阻NTC是一种热敏器件,常温下电阻较大,利用自身的高阻特性抑制浪涌电流,通电后由于自身损耗产生热量,其阻值也随之降低,因此在正常工作状态下的功耗也会随之降低。
  该方法优点为电路非常简单,只需串入一只NTC电阻即可。缺点为:1)由于NTC为热敏器件,因此在关机后立即再次启动电源,由于NTC已经处于高温状态,会导致NTC失去浪涌电流抑制效果。2)由于NTC为串联在回路中的电阻,因此在大功率场合下(几十安至几百安),即使NTC电阻阻值下降到几十毫欧级别,造成的功率损耗依然十分巨大。同时导致电源内部发热,影响其它器件寿命。因此该方法一般仅适用于小功率场合(功率小于10kW),并需要在控制端增加延时启动电路。
  3.2 增加电感限制启动时的浪涌电流
  图4是利用电感限制浪涌电流的经典电路。
  由公式(1)可以看出浪涌电流与线路电阻R及电感L成反比,增加电阻R或者电感L都可以有效降低浪涌电流。但通常在线路中增加电阻阻值会带来极大的能量损耗和热耗,因此可以通过增加电感L对浪涌电流进行抑制。
  电感是一种磁性器件,可以将电能转化为磁能进行存储,同时具有抑制电流突变的作用,通电之后,电感可以在一定程度抑制电容产生的浪涌电流。该方法缺点如下:
  1)电感感量与线圈匝数的平方成正比,在获得较大的感量的同时线圈匝数也必须相应提高,在大功率电路中,由于电流较大,所选用的铁心和铜线体积也较大,在实际电路中由于体积有限因此很难将感量做到很大,通常仅能维持在几百微亨至几毫亨,对限制浪涌电流而言作用十分有限。
  2)电感作为元器件串联在回路中,产生铜损和铁损形成发热。
  4 新型浪涌抑制电路运行和计算
  与传统浪涌电流抑制电路相比,图5所示的新型浪涌电流抑制电路在整流之后增加一只电阻和辅助开关即可达到抑制浪涌电流的作用。
  电路工作原理如下:主开关为K1,辅助开关为K2,限流电阻为R1,电路启动时打开主开关K1,此时电路进入预充电模式,由于限流电阻R1的存在,电容C1产生的浪涌电流大大减少。待电容C1充入部分电量后,辅助开关K2打开,此时电路进入正常工作模式,将限流电阻R1短路,由于电容C1中已充入部分电量,接入主电路后,同时启动后,限流电阻通过辅助开关K2短路,并不串联在主回路当中,减少了限流电阻的发热。
  上述电路关键参数的选取:
  1)辅助开关打开时间T。辅助开关打开越晚,电容C1通过电阻R1的充电就越充分,主回路正常启动时的浪涌电流就越小。通过RC电路充电计算公式可以得出3-5RC后电容几乎充满电,2RC时即可冲到85%以上。
  因此在条件允许的情况下,尽可能将K2打开时间控制在大于2倍RC以上。
  2)辅助开关的电流容量。采用浪涌抑制电路后,辅助开关的电流容量只需要满足主回路额定工作要求即可。
  3)限流电阻R1的选取。电路最大浪涌电流取决于直流端电压Vd和限流电阻R1的大小,Imax=Ud/R1,电阻R1的选取只需满足Imax小于额定工作电流即可。
  5 试验结果
  试验以20kW大功率电源作为试验平台,初级滤波电容C1=5000uF,限流电阻R1=4.7kΩ/50W,辅助开关延迟打开时间为1min,采用浪涌抑制电路后输入电流如图6所示,可看出无论是浪涌电流的峰值还是持续时间均得到了减小。通过试验验证了该拓扑结构的合理性。
  6 结论
  本文对大功率电源中浪涌电流的成因及经典浪涌电流抑制电路的优缺点进行了分析,提出了新型浪涌电流抑制电路的拓扑结构并对关键的工作参数进行了解析。所运用的元器件较少,损耗低,在大功率电源设备中应用前景广泛。
  参考文献
  [1]叶惠贞,杨兴州.新颖开关稳压电源[M].北京:国际工业出版社,1999.
  [2](美)比林斯.莫瑞开关电源手册[M].北京:人民邮电出版社,2013.



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