开关电源中浪涌电流抑制模块的应用


 1 上电浪涌电流

  目前,考虑到体积,成本等因素,大多数AC/DC变换器输入整流滤波采用电容输入式滤波方式,电路原理如图1所示。由于电容器上电压不能跃变,在整流器上电之初,滤波电容电压几乎为零,等效为整流输出端短路。如在最不利的情况(上电时的电压瞬时值为电源电压峰值)上电,则会产生远高于整流器正常工作电流的输入浪涌电流,如图2所示。当滤波电容为470μF并且电源内阻较小时,第一个电流峰值将超过100A,为正常工作电流峰值的10倍。

 

  浪涌电流会造成电源电压波形塌陷,使得供电质量变差,甚至会影响其他用电设备的工作以及使保护电路动作;由于浪涌电流冲击整流器的输入熔断器,使其在若干次上电过程的浪涌电流冲击下而非过载熔断。为避免这类现象发生,而不得不选用更高额定电流的熔断器,但将出现过载时熔断器不能熔断,起不到保护整流器及用电电路的作用;过高的上电浪涌电流对整流器和滤波电容器造成不可恢复的损坏。因此,必须对带有电容滤波的整流器输入浪涌电流加以限制。

  2 上电浪涌电流的限制

  限制上电浪涌电流最有效的方法是,在整流器与滤波电容器之间,或在整流器的输入侧加一负温度系数热敏电阻(NTC),如图3所示。利用负温度系数热敏电阻在常温状态下具有较高阻值来限制上电浪涌电流,上电后由于NTC流过电流发热使其电阻值降低以减小NTC上的损耗。这种方法虽然简单,但存在的问题是限制上电浪涌电流性能受环境温度和NTC的初始温度影响,在环境温度较高或在上电时间间隔很短时,NTC起不到限制上电浪涌电流的作用,因此,这种限制上电浪涌电流方式仅用于价格低廉的微机电源或其他低成本电源。而在彩色电视机和显示器上,限制上电浪涌电流则采用串一限流电阻,电路如图4所示。最常见的应用是彩色电视机,这种方法的优点是简单,可靠性高,允许在宽环境温度范围内工作,其缺点是限流电阻上有损耗,降低了电源效率。事实上整流器上电处于稳态工作后,这一限流电阻的限流作用已完成,仅起到消耗功率、发热的负作用,因此,在功率较大的开关电源中,采用上电后经一定延时后用一机械触点或电子触点将限流电阻短路,如图5所示。这种限制上电浪涌电流方式性能好,但电路复杂,占用体积较大。为使应用这种抑制上电浪涌电流方式,象仅仅串限流电阻一样方便,本文推出开关电源上电浪涌电流抑制模块。

3 上电浪涌抑制模块

  3.1 带有限流电阻的上电浪涌电流抑制模块

  将功率电子开关(可以是MOSFET或SCR)与控制电路封装在一个相对很小的模块(如400W以下为25mm×20mm×11mm)中,引出3~4个引脚,外接电路如图6(a)所示。整流器上电后最初一段时间,外接限流电阻抑制上电浪涌电流,上电浪涌电流结束后,模块导通将限流电阻短路,这样的上电过程的输入电流波形如图6(b)所示。很显然上电浪涌电流峰值被有效抑制,这种上电浪涌电流抑制模块需外接一限流电阻,用起来很不方便,如何将外接电阻省掉将是电源设计者所希望的。

 

  3.2 无限流电阻的上电浪涌电流抑制模块

  有人提出一种无限流电阻的上电浪涌电流抑制电路如图7(a)所示,其上电电流波形如图7(b)所示,其思路是将电路设计成线形恒流电路。实际电路会由于两极放大的高增益而出现自激振荡现象,但不影响电路工作。从原理上讲,这种电路是可行的,但在使用时则有如下问题难以解决:如220V输入的400W开关电源的上电电流至少需要达到4A,如上电时刚好是电网电压峰值,则电路将承受4×220×=1248W的功率。不仅远超出IRF840的125W额定耗散功率,也远超出IRFP450及IRFP460的150W额定耗散功率,即使是APT的线性MOSFET也只有450W的额定耗散功率。因此,如采用IRF840或IRFP450的结果是,MOSFET仅能承受有限次数的上电过程便可能被热击穿,而且从成本上看,IRF840的价格可以接受,而IRFP450及IRFP460则难以接受,APT的线性MOSFET更不可能接受。

 

  欲真正实现无限流电阻的上电浪涌电流抑制模块,需解决功率器件在上电过程的功率损耗问题。作者推出的另一种上电浪涌电流抑制模块的基本思想是,使功率器件工作在开关状态,从而解决了功率器件上电过程中的高功率损耗问题,而且电路简单。电路如图8(a)和图8(b)所示,上电电流波形如图8(c)所示。

 

  3.3 测试结果

  A模块在400W开关电源中应用时,外壳温升不大于40℃,允许间隔20ms的频繁重复上电,最大峰值电流不大于20A,外形尺寸25mm×20mm×11mm或  35mm×25mm×11mm。

  B模块和C模块用于800W的额定温升不大于40℃,重复上电时间间隔不限,上电峰值电流为正常工作时峰值电流的3~5倍,外形尺寸35mm×30mm×11mm或者50mm×30mm×12mm。

  模块的铝基板面贴在散热器上,模块温度不高于散热器5℃。

  4 结语

  开关电源上电浪涌电流抑制模块的问世,由于其外接电路简单,体积小给开关电源设计者带来了极大方便,特别是无限流电阻方案,国内外尚未见到相关报道。同时作者也将推出其它冲击负载(如交流电机及各种灯类等)的上电浪涌电流抑制模块。


 


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