一種新型浪涌電流限制器

摘要：指出了功耗大、二次浪涌和功能不動作是傳統(tǒng)限制浪涌電流方法的缺陷。提出了一種限制浪涌電流的新方法。最新的浪涌電流限制器件--KJH浪涌電流限制器，限制浪涌電流僅比正常工作電流峰值大1～2倍。特別適合要求嚴(yán)格的工業(yè)系統(tǒng)和軍事系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：浪涌電流；二次浪涌電流；限制器；功能不動作

引言

在AC/DC變換器啟動瞬間，因?qū)V波電容器充電會產(chǎn)生一個(gè)很大的浪涌電流，它比系統(tǒng)正常工作電流大幾倍乃至幾十倍。浪涌電流會嚴(yán)重污染供電網(wǎng)絡(luò)，影響其它電子設(shè)備的正常運(yùn)行。有時(shí)會損壞電源開關(guān)、熔斷器、EMI濾波器、整流橋、濾波電容，甚至印刷電路板等元器件。有時(shí)雖然看不到顯性損壞，但是隱性損壞降低了設(shè)備的可靠性，這是更為糟糕的事情。為了改進(jìn)開關(guān)電源的輸入特性，提高其可靠性，減少對電網(wǎng)的污染，改善電子設(shè)備的使用環(huán)境，必須對浪涌電流加以限制。傳統(tǒng)的限制浪涌電流的方法存在功耗大，二次浪涌，以及瞬時(shí)斷電的功能不動作等問題。新型浪涌電流限制器件--KJH型浪涌電流限制器從根本上解決了這些問題。

1 限制浪涌電流的傳統(tǒng)方法及其存在的問題

1.1 傳統(tǒng)方法

眾所周知，在AC/DC變換器上電時(shí)，只要增加濾波電容C充電回路的環(huán)路電阻就可以減小浪涌電流。傳統(tǒng)的方法有二種：

1）在回路中串聯(lián)一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娮瑁ò央娮钃Q成負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻是一種改進(jìn)），既可以把浪涌電流限制在可接受的范圍內(nèi)，又不影響變換器的正常工作；

2）在回路中串聯(lián)一個(gè)電阻與一對觸點(diǎn)相并聯(lián)的組合，使在上電時(shí)觸點(diǎn)斷開，電阻串聯(lián)在環(huán)路中起到限制浪涌電流的作用，待電源進(jìn)入某種狀態(tài)時(shí)觸點(diǎn)接通，將電阻短路減小功耗，保證電源的正常工作。

特別值得一提的是ST公司推出的STIL02器件[1]，它是利用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻與半橋轉(zhuǎn)換開關(guān)組合來完成限制浪涌電流的功能。

1.2 存在問題

1.2.1 二次浪涌電流

如圖1所示，我們把開關(guān)電源上電時(shí)的浪涌電流稱為一次浪涌電流，把觸點(diǎn)K接通時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流稱為二次浪涌電流。

當(dāng)300V直流電壓加到輸入端時(shí)，電容器C以時(shí)間常數(shù)τ=R1C充電，最大的一次浪涌電流ISM=300V/100Ω=3A，穩(wěn)態(tài)時(shí)VC=200V，VR1=100V。當(dāng)K接通時(shí)，R1被K短路，100V的躍變電壓直接加在電容器C的兩端，就產(chǎn)生了二次浪涌電流。因?yàn)闆]有任何有效的電阻限流，二次浪涌電流會很大。為了兼顧一次浪涌電流和二次浪涌電流的均衡，一般R1的數(shù)值都不會很大。在幾百W的電源（交流220V輸入）中，R1取值為幾Ω～十幾Ω，保證電源的浪涌電流在30A左右。

1.2.2 重復(fù)上電和功能不動作

在傳統(tǒng)方法中，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的散熱或并聯(lián)的觸點(diǎn)通斷都需要一定的反應(yīng)時(shí)間。一般情況下，當(dāng)輸入電源跌落與瞬時(shí)斷電時(shí)，為防止浪涌電流限制器的功能不動作，須規(guī)定開關(guān)電源通斷的重復(fù)時(shí)間，否則，可能會因?yàn)楣δ懿粍幼髟斐呻娫吹膿p壞。

2 KJH型浪涌電流限制器

KJH型浪涌電流限制器是限制開關(guān)電源浪涌電流的專用器件，是全新概念的限制浪涌電流的方法。其限流電阻的阻值是漸變的，而不是像傳統(tǒng)方法中的階躍方式。

2.1 工作原理

KJH型浪涌電流限制器的原理框圖如圖2所示。其工作過程和信號流向如下：當(dāng)A、B端輸入上電信號，檢測單元②立即使時(shí)序電路⑥進(jìn)入啟動程序，啟動驅(qū)動單元④，使執(zhí)行單元⑤的電阻值由大逐漸變小，從而達(dá)到限制浪涌電流和保證電源正常工作的目的。當(dāng)A、B端輸入掉電信號，則檢測單元②使時(shí)序電路⑥轉(zhuǎn)入復(fù)位程序，復(fù)位電路⑦工作，使驅(qū)動單元④和執(zhí)行單元⑤立即復(fù)位，電阻值立即變大，等待下一次上電，重復(fù)前一次上電時(shí)經(jīng)歷的過程。

其原理電路如圖3所示，用一只（或一組）晶體三極管（執(zhí)行單元）串聯(lián)在濾波電容器充電回路中，其導(dǎo)通狀態(tài)用一個(gè)由交流輸入端控制的時(shí)序電路控制，即上電的初始瞬間晶體三極管處于微導(dǎo)通狀態(tài)，在充電回路中呈現(xiàn)較大電阻值，然后逐漸使晶體三極管導(dǎo)通以至飽和，使其在回路中呈現(xiàn)電阻值很小，以保證電源的性能。對作為執(zhí)行單元的晶體三極管要求如下：

1）能耐受浪涌電流的沖擊；

2）能充分吸收浪涌電流攜帶的能量；

3）其阻值變化（導(dǎo)通狀態(tài)）與濾波電容的充電狀態(tài)相協(xié)調(diào)；

4）進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)其阻值應(yīng)盡量小。

由上可見，KJH型浪涌電流限制器實(shí)際上是一個(gè)功率型電子電位器，是一種純電阻性器件。開關(guān)電源上電時(shí)，電子電位器呈現(xiàn)較大的阻值，將浪涌電流限制在一個(gè)比較理想的數(shù)值上。隨著濾波電容C的不斷充電，電子電位器的阻值逐漸減小，穩(wěn)態(tài)時(shí)其阻值達(dá)到最小值，保證了開關(guān)電源的正常工作。KJH型模塊有4個(gè)引腳：2個(gè)交流輸入端和"＋"、"－"2個(gè)輸出端。

2.2 應(yīng)用電路

KJH型浪涌電流限制器的應(yīng)用電路如圖4（推薦）和圖5所示。沒有任何外接元件，只要把模塊的四個(gè)引腳按圖接入電路，不用調(diào)試即可正常工作。圖4電路可以單只應(yīng)用也可以多只應(yīng)用。在多只應(yīng)用時(shí)要求濾波電容C和模塊功率進(jìn)行合理分配（大電容配大功率模塊）。

2.3 特點(diǎn)

1）限制浪涌電流效果好由于沒有二次浪涌電流的問題，允許初始上電時(shí)浪涌電流限制器的阻值比較大，因此，浪涌電流可以限制得比較小，僅比正常工作電流的峰值大1～2倍，甚至更小。

2）不會出現(xiàn)功能不動作狀態(tài)浪涌電流限制器的控制端信號與輸入電壓同步，得電即開始工作，失電即復(fù)位。

3）功耗小浪涌電流限制器的阻值變化范圍是上電時(shí)幾十Ω至數(shù)百Ω，電源進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)只有零點(diǎn)幾Ω，所以，KJH型浪涌電流限制器工作時(shí)發(fā)熱很少，500W以下的模塊不需要專門的散熱器。

4）允許重復(fù)上電從電路工作原理上說輸入電壓的通斷是不受限制的。但是，由于浪涌電流限制器在電路中承擔(dān)吸收浪涌電流的所有能量，輸入電壓每一次接通都會儲存一定的熱量使模塊溫度升高，故允許的重復(fù)上電的次數(shù)和間隔時(shí)間是由器件的溫升決定的。電源功率越大和濾波電容C值越大，允許的重復(fù)上電次數(shù)越少，要求的間隔時(shí)間越長。KJH型浪涌電流限制器模塊的最新產(chǎn)品允許不受間隔時(shí)間限制地連續(xù)重復(fù)上電3～5次（功率越大次數(shù)越少）不會造成模塊本身的損壞。這對于解決各種實(shí)用系統(tǒng)的開關(guān)抖動、誤操作、輸入電壓跌落與瞬時(shí)斷電是非常必要的，也是足夠的了。

5）使用簡單不需調(diào)試沒有外接元件，接入電路即可正常工作。

6）體積小、模塊化、可靠性高，可適應(yīng)惡劣環(huán)境工作。

2.4 主要技術(shù)參數(shù)

在輸入電壓220V、50Hz，環(huán)境溫度T=25℃時(shí)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 KJH型主要技術(shù)參數(shù)

型號,輸出功率/W,外接電容/μF,浪涌電流/A,電壓降/V,外形尺寸/mmmmmm

3 結(jié)語

KJH型浪涌電流限制器是純電阻性器件，不會對開關(guān)電源的其他部分產(chǎn)生不利影響。不需任何外接元件，按要求將模塊的4個(gè)引腳接入電路，不用任何調(diào)試即可正常工作。體積小，模塊化，可靠性高，能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，特別適合要求嚴(yán)格的工業(yè)系統(tǒng)和軍用系統(tǒng)。