白璐++黃曉燕

摘要：在大功率電源設計中，電路開通瞬間產(chǎn)生的浪涌電流問題異常突出。本文對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)缺點進行了分析，并結合理論分析與工程應用提出了一種新型的浪涌電流抑制電路，對其電路的運行和關鍵參數(shù)的選取進行了分析。

關鍵詞：大功率電源；浪涌電流；浪涌抑制

中圖分類號：TM344 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）02-0140-03

1 引言

大功率電源已經(jīng)成為一些工業(yè)設備例如電力和控制系統(tǒng)的關鍵部分。大功率電源由于輸入濾波電容較大（數(shù)千至數(shù)萬微法），會導致電源在啟動瞬間形成數(shù)倍乃至數(shù)十倍于額定值的浪涌電流。浪涌電流過大會使大功率電源前端的空氣開關、繼電器、整流管等器件承受過大的工作電流，嚴重時導致器件過早失效或壽命降低。近年來，由于大功率電源的應用不斷增加，許多浪涌電流抑制技術和產(chǎn)品應運而生?；诶擞恳种齐娐返募夹g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計，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，同時其所用元器件數(shù)量較少、控制簡單、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。

電路啟動瞬間，電容C1開始充電，由于電容充電初期內阻很低，導致電流迅速增加，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：整流后的脈動電壓頻率（單相按100Hz計算，三相按300Hz計算）；

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）而線路電阻因為使用較粗的導線而較低（通常幾十到幾百毫歐），因此電源啟動時會形成較大的浪涌電流。以下是20kW大功率電源產(chǎn)品（輸入380V，初級濾波電容5000uF）浪涌電流實測值（使用500A電流傳感器進行測試，峰值電壓25.2V，換算成電流約為300A，持續(xù)時間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，同時由于器件頻繁在開機瞬間受到大電流沖擊，容易導致器件壽命下降。

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 增加負溫度系數(shù)的熱敏電阻限制啟動時的浪涌電流

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

負溫度系數(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)下的功耗也會隨之降低。

該方法優(yōu)點為電路非常簡單，只需串入一只NTC電阻即可。缺點為：1）由于NTC為熱敏器件，因此在關機后立即再次啟動電源，由于NTC已經(jīng)處于高溫狀態(tài)，會導致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，因此在大功率場合下（幾十安至幾百安），即使NTC電阻阻值下降到幾十毫歐級別，造成的功率損耗依然十分巨大。同時導致電源內部發(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合（功率小于10kW），并需要在控制端增加延時啟動電路。

3.2 增加電感限制啟動時的浪涌電流

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帶來極大的能量損耗和熱耗，因此可以通過增加電感L對浪涌電流進行抑制。

電感是一種磁性器件，可以將電能轉化為磁能進行存儲，同時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線圈匝數(shù)也必須相應提高，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行和計算

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即可達到抑制浪涌電流的作用。

電路工作原理如下：主開關為K1，輔助開關為K2，限流電阻為R1，電路啟動時打開主開關K1，此時電路進入預充電模式，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K2打開，此時電路進入正常工作模式，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，同時啟動后，限流電阻通過輔助開關K2短路，并不串聯(lián)在主回路當中，減少了限流電阻的發(fā)熱。

上述電路關鍵參數(shù)的選取：

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

因此在條件允許的情況下，盡可能將K2打開時間控制在大于2倍RC以上。

2）輔助開關的電流容量。采用浪涌抑制電路后，輔助開關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 試驗結果

試驗以20kW大功率電源作為試驗平臺，初級濾波電容C1=5000uF，限流電阻R1=4.7kΩ/50W，輔助開關延遲打開時間為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)時間均得到了減小。通過試驗驗證了該拓撲結構的合理性。

6 結論

本文對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)缺點進行了分析，提出了新型浪涌電流抑制電路的拓撲結構并對關鍵的工作參數(shù)進行了解析。所運用的元器件較少，損耗低，在大功率電源設備中應用前景廣泛。

參考文獻

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[2]（美）比林斯.莫瑞開關電源手冊[M].北京：人民郵電出版社，2013.