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浪涌電流是什么?? 如何抑制浪涌電流

一、什么是浪涌電流？

浪涌電流是電路打開(kāi)吸收的最大電流，出現(xiàn)在輸入波形的幾個(gè)周期內(nèi)。浪涌電流的值遠(yuǎn)高于電路的穩(wěn)態(tài)電流，高電流可能會(huì)損壞設(shè)備或觸發(fā)斷路器。浪涌電流通常出現(xiàn)在所有磁芯的設(shè)備中，如變壓器、工業(yè)電壓等。

二、為什么會(huì)出現(xiàn)浪涌電流？

產(chǎn)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(shè)備或系統(tǒng)，在啟動(dòng)時(shí)會(huì)消耗大量電流對(duì)其進(jìn)行充電。

下面的圖可以看到浪涌電流、峰值電流和穩(wěn)態(tài)電流之間的差異：

浪涌電流、峰值電流和穩(wěn)態(tài)電流之間的差異

峰值電流：波形在正區(qū)域或負(fù)區(qū)域獲得的電流最大值。穩(wěn)態(tài)電流：定義為電路中每個(gè)時(shí)間間隔保持恒定的電流。當(dāng) di/dt = 0 時(shí)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流，這意味著電流相對(duì)于時(shí)間保持不變。

浪涌電流特性：

• 設(shè)備開(kāi)啟時(shí)立即發(fā)生
• 出現(xiàn)時(shí)間跨度短
• 高于電路或裝置的額定值

發(fā)生浪涌電流的一些示例：

• 白熾燈
• 感應(yīng)電機(jī)啟動(dòng)
• 變壓器
• 打開(kāi)基于 SMPS 的電源

三、電源轉(zhuǎn)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(xiàn)在通常是在輸入側(cè)并聯(lián)電容或者濾波器，如下所示。由于濾波器中有電容，當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始上電時(shí)，由于輸入電壓的快速上升，會(huì)產(chǎn)生很高的浪涌電流。這種情況可能會(huì)導(dǎo)致前端電源供電不足，或者觸發(fā)過(guò)流保護(hù)，導(dǎo)致無(wú)電壓輸出，因此，浪涌電流的抑制變得越來(lái)越重要。

a圖并聯(lián)電容，b圖并聯(lián)了濾波器

四、抑制浪涌電壓的方法

1、被動(dòng)抑制

如下所示，主要用于應(yīng)用電路需要外接大量電容時(shí)。如果沒(méi)有外部限流電路，直流母線電壓開(kāi)啟時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電壓，可能導(dǎo)致前端電源壓降進(jìn)入保護(hù)模式。此時(shí)，只需在電容輸入串聯(lián)電阻和二極管即可，可以減輕浪涌電流。當(dāng)直流母線通過(guò)電阻給電容充電時(shí)，可以限制浪涌電流，但是，當(dāng)直流母線需要供電時(shí)，電容可以通過(guò)二極管將電能反饋給直流母線。

2、主動(dòng)抑制

另一種是采用帶軟啟動(dòng)電路的有源開(kāi)關(guān)來(lái)限制浪涌電流。如下所示，MOS管通過(guò)軟啟動(dòng)電路緩慢開(kāi)啟，因此，可以限制啟動(dòng)期間的浪涌電流，優(yōu)點(diǎn)是不影響系統(tǒng)效率，不受緩解溫度影響。缺點(diǎn)是需要外接電路，整體成本較高。

采用帶軟啟動(dòng)電路的有源開(kāi)關(guān)來(lái)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(jīng)列舉了2種浪涌電流方法。下面介紹使用MOS管導(dǎo)通電路來(lái)抑制輸入電流此外，由于MOS管的導(dǎo)通損耗低，使用方便。優(yōu)點(diǎn)是零件少，缺點(diǎn)是有功率損耗。下面介紹有源和無(wú)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(dǎo)通步長(zhǎng)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(guò)R2充電到C1。最后C1上的電壓通過(guò)分壓R1和R2之間的電壓來(lái)確定。Q1 開(kāi)啟狀態(tài)由 Vgs 電壓決定。

• -Vgs<-Vgs(th) 和 -Vgd<-Vgs(th)MOS管處于截止?fàn)顟B(tài)，類似于開(kāi)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(gè)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(dǎo)通電阻很低，適合開(kāi)關(guān)。

有源浪涌電流限制電路(P-MOS管)

從MOS管特性描述來(lái)看，歐姆模式最適合抑制浪涌電流。至于R1、R2、C1的計(jì)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(shí)間越長(zhǎng)，這意味著限制浪涌電流的效果會(huì)更好。

2、無(wú)源浪涌電流限制器電路

一般的無(wú)源方式是在輸入端串聯(lián)一個(gè)熱敏電阻，但由于熱敏電阻受環(huán)境溫度影響較大，當(dāng)環(huán)境溫度較高或輸入電源多次快速開(kāi)閉，將起不到保護(hù)作用。下圖給出了可以改善這種現(xiàn)象的電路，使用二極管和電阻并聯(lián)，與電容并聯(lián)。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(kāi)和關(guān)閉多次的影響。工作原理是當(dāng)有輸入電壓時(shí)，輸入電壓通過(guò)給R1和Cl充電，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載需要電源時(shí)，Cl通過(guò)二極管向負(fù)載放電。

無(wú)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(guò)以下公式計(jì)算R1：

R1 損失

阻力損失可以通過(guò)公式（6）得到。

六、結(jié)論

為了加強(qiáng)DC/DC轉(zhuǎn)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(huì)在電源輸入端產(chǎn)生浪涌電流。如果不抑制浪涌電流，輸入電源可能因保護(hù)電路而無(wú)輸出，并可能損壞輸入電路或保險(xiǎn)絲。上面介紹兩種抑制浪涌電流的方法，一種是利用MOSFET的導(dǎo)通特性來(lái)抑制浪涌電流。另一種是使用無(wú)源元件，通過(guò)電阻給電容充電，然后通過(guò)二極管放電回系統(tǒng)。有源抑制電路的效果優(yōu)于無(wú)源抑制電路，但元件數(shù)量多于無(wú)源抑制電路。無(wú)源抑制電路的元器件使用最少，但必須考慮電阻的損耗和功率選擇。

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