如何抑制电源转换器中浪涌电压

描述

今天给大家分享的是:如何抑制电源转换器中浪涌电压?

一、什么是浪涌电流?

浪涌电流是电路打开吸收的最大电流,出现在输入波形的几个周期内。

浪涌电流的值远高于电路的稳态电流,高电流可能会损坏设备或触发断路器。浪涌电流通常出现在所有磁芯的设备中,如变压器、工业电压等。

二、为什么会出现浪涌电流?

产生浪涌电流的因素有很多,比如一些去耦电容或平滑电容组成的设备或系统,在启动时会消耗大量电流对其进行充电。

下面的图可以看到浪涌电流、峰值电流和稳态电流之间的差异:

电源转换器

浪涌电流、峰值电流和稳态电流之间的差异

峰值电流:波形在正区域或负区域获得的电流最大值。

稳态电流:定义为电路中每个时间间隔保持恒定的电流。当 di/dt = 0 时,达到稳态电流,这意味着电流相对于时间保持不变。

浪涌电流特性:

设备开启时立即发生

出现时间跨度短

高于电路或装置的额定值

发生浪涌电流的一些示例:

白炽灯

感应电机启动

变压器

打开基于 SMPS 的电源

三、电源转换器中的浪涌电压

为了降低输入/输出的纹波噪声或EMI噪声,现在通常是在输入侧并联电容或者滤波器,如下所示。

由于滤波器中有电容,当系统开始上电时,由于输入电压的快速上升,会产生很高的浪涌电流。

这种情况可能会导致前端电源供电不足,或者触发过流保护,导致无电压输出,因此,浪涌电流的抑制变得越来越重要。

电源转换器

a图并联电容,b图并联了滤波器

四、抑制浪涌电压的方法

1、被动抑制

如下所示,主要用于应用电路需要外接大量电容时。如果没有外部限流电路,直流母线电压开启时会产生很大的浪涌电压,可能导致前端电源压降进入保护模式。

此时,只需在电容输入串联电阻和二极管即可,可以减轻浪涌电流。当直流母线通过电阻给电容充电时,可以限制浪涌电流,但是,当直流母线需要供电时,电容可以通过二极管将电能反馈给直流母线。

电源转换器

2、主动抑制

另一种是采用带软启动电路的有源开关来限制浪涌电流。如下所示,MOS管通过软启动电路缓慢开启,因此,可以限制启动期间的浪涌电流,优点是不影响系统效率,不受缓解温度影响。缺点是需要外接电路,整体成本较高。

电源转换器

采用带软启动电路的有源开关来限制浪涌电流。

五、使用MOS管浪涌电流限制电路

如上所述,已经列举了2种浪涌电流方法。下面介绍使用MOS管导通电路来抑制输入电流此外,由于MOS管的导通损耗低,使用方便。优点是零件少,缺点是有功率损耗。下面介绍有源和无源浪涌电流限制电路。

1、有源浪涌电流限制电路(P-MOS管)

下图为使用P沟道MOS管的浪涌电流限制电路。P沟道的导通步长与N沟道基本相同,只是电压相反。在初始阶段,C1上的电压为0V。

输入电压通过R2充电到C1。最后C1上的电压通过分压R1和R2之间的电压来确定。Q1 开启状态由 Vgs 电压决定。

-Vgs<-Vgs(th) 和 -Vgd<-Vgs(th)MOS管处于截止状态,类似于开路。

-Vgs>-Vgs(th) 和 -Vgd>-Vgs(th)MOS管处于欧姆模式。Vds和Id的特性就像一个电阻,随着Vgs电压的升高而变小。

-Vgs>-Vgs(th) 和 -Vgd<-Vgs(th)MOS管 处于饱和模式。Id是固定值,不随Vds变化。而且MOSFET的导通电阻很低,适合开关。

电源转换器

有源浪涌电流限制电路(P-MOS管)

从MOS管特性描述来看,欧姆模式最适合抑制浪涌电流。至于R1、R2、C1的计算,可以用下面的公式:

电源转换器

电源转换器

电源转换器

电源转换器

在相同的R1下,C1越大,MOS管工作在欧姆模式的时间越长,这意味着限制浪涌电流的效果会更好。

2、无源浪涌电流限制器电路

一般的无源方式是在输入端串联一个热敏电阻,但由于热敏电阻受环境温度影响较大,当环境温度较高或输入电源多次快速开闭,将起不到保护作用。

下图给出了可以改善这种现象的电路,使用二极管和电阻并联,与电容并联。不仅可以抑制浪涌电流,而且不容易受温度变化或者输入电源快速打开和关闭多次的影响。

工作原理是当有输入电压时,输入电压通过给R1和Cl充电,当系统负载需要电源时,Cl通过二极管向负载放电。

电源转换器

无源浪涌电流限制器电路

从图中可以看出R1与浪涌电流成反比,因此可以通过以下公式计算R1:

电源转换器

电源转换器

R1 损失

电源转换器

t 可以粗略地看成是一个二倍的时间常数

电源转换器

阻力损失可以通过公式(6)得到。

六、结论

为了加强DC/DC转换器的抗噪声能力,常用的方法是在输入端加电容。但由于电容的特性,会在电源输入端产生浪涌电流。如果不抑制浪涌电流,输入电源可能因保护电路而无输出,并可能损坏输入电路或保险丝。

上面介绍两种抑制浪涌电流的方法,一种是利用MOSFET的导通特性来抑制浪涌电流。另一种是使用无源元件,通过电阻给电容充电,然后通过二极管放电回系统。有源抑制电路的效果优于无源抑制电路,但元件数量多于无源抑制电路。无源抑制电路的元器件使用最少,但必须考虑电阻的损耗和功率选择。

来源:本文转自头条李工谈元器件

审核编辑:汤梓红

打开APP阅读更多精彩内容
声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉

全部0条评论

快来发表一下你的评论吧 !

×
20
完善资料,
赚取积分