新型抑制浪涌電流電路的設計

摘要： 提出了一種新型抑制浪涌電流電路，給出了實(shí)際設計方案。

關(guān)鍵詞： 浪涌電流；場(chǎng)效應管

引言

在現代電子設備中有許多繼電器用于電源開(kāi)關(guān)。但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，常伴隨著(zhù)幾個(gè)到幾十個(gè)毫秒的觸點(diǎn)回跳和抖動(dòng)過(guò)程，單次抖跳的時(shí)間可達幾十微秒到幾毫秒，因此會(huì )引起被控電路的多次誤動(dòng)作。同時(shí)存在不同程度的機械碰撞噪聲，由于觸點(diǎn)電弧火花，會(huì )引發(fā)嚴重的EMI和RFI，關(guān)斷時(shí)的線(xiàn)圈反電勢高達幾百到幾千伏，嚴重時(shí)會(huì )危及驅動(dòng)電路，由于超過(guò)規定的尖峰電壓、浪涌電流會(huì )使觸點(diǎn)擊穿、燒損或粘結，從而誤導通或喪失功能。如何解決這些問(wèn)題已成為現代電子設備的一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。一般在電流較大時(shí)采取如下兩種方法：      
               
1) 繼電器與負載之間串接熱敏電阻。但正常工作時(shí)始終有一電阻存在。同時(shí)關(guān)斷時(shí)仍有問(wèn)題。
2)在繼電器與負載之間串接電阻，電阻兩端并接一個(gè)繼電器。但控制關(guān)系復雜，而且增加一個(gè)繼電器及其控制電路。

電路設計

圖1為某電子設備的輸入整流濾波電路。輸入濾波電路工作過(guò)程：輸入的三相交流電經(jīng)輸入濾波器濾去雜波后經(jīng)整流電路、開(kāi)關(guān)(繼電器)加到輸入濾波電容上，當開(kāi)機信號加到控制電路時(shí)，開(kāi)關(guān)合閘，整流電流流過(guò)濾波電路輸出直流電。當開(kāi)機信號消失時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，中止輸出直流電。

圖1 輸入整流濾波電路

由于輸入濾波電容較大，因此合閘浪涌電流較高，最大合閘電流為:

IP=U/RS

其中U為三相整流橋輸出最大電壓峰值，RS為輸入濾波回路內阻，通常RS較小，因此IP很大，大的浪涌電流不僅會(huì )引起電源開(kāi)關(guān)接點(diǎn)的熔接，也會(huì )使輸入保險絲熔斷，在浪涌電流出現時(shí)所產(chǎn)生的干擾將會(huì )給其他相鄰的用電設備帶來(lái)妨礙，就電容器和整流器本身而言，多次、反復地經(jīng)受大電流沖擊，性能將會(huì )逐漸劣化，因此要限制浪涌電流[1]。筆者設計了一種采用場(chǎng)效應管替代繼電器的電路來(lái)解決浪涌電流問(wèn)題。

在電路設計中，利用場(chǎng)效應管的開(kāi)關(guān)特性，用場(chǎng)效應管替代繼電器，提出一個(gè)解決方案，如圖2所示。 

圖2 抑制浪涌電流電路組成框圖

隔離耦合電路是將控制信號變?yōu)楦哳l振蕩信號利用高頻變壓器傳遞到變壓器次級。功能電路包括整流濾波、保護等電路。輸出電路主要由場(chǎng)效應管和保護電路組成。

圖3是一個(gè)N溝道場(chǎng)效應管的漏極特性曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)可分為可變電阻區、恒流區、夾斷區三部分。場(chǎng)效應管工作在可變電阻區時(shí)，ID隨VDS的增加幾乎成線(xiàn)性增大，而增大的比值受VGS控制，這樣就可以把管子的D、S間看成一個(gè)受電壓VGS控制的線(xiàn)性電阻[2]。

圖3 N溝道場(chǎng)效應管的漏極特性曲線(xiàn)

為消除浪涌電流，應使場(chǎng)效應管在可變電阻區工作一段時(shí)間。由于正常開(kāi)關(guān)工作時(shí)管子在可變電阻區時(shí)間極短，不能消除或減小浪涌電流。如何使場(chǎng)效應管在完全導通前有足夠的時(shí)間工作在可變電阻區成為隔離耦合電路設計的關(guān)鍵。

設計了如圖4的電路來(lái)消除浪涌電流，為使控制信號變?yōu)楦哳l振蕩信號，選用SG3525。圖中SG3525的振蕩頻率由下式?jīng)Q定： 
           
f=1/C2(0.7R2+3R3)  

軟啟動(dòng)電路的電容C3是用50mA恒流源充電的[3]。達到50%輸出占空比的時(shí)間將是：

t=2.5V /50mA*C3   

利用SG3525第10引腳關(guān)斷端控制高頻振蕩信號的有無(wú)。當第10引腳關(guān)斷端為低電平時(shí)，利用SG3525的軟啟動(dòng)端電容C3使高頻振蕩信號脈沖寬度逐漸展寬，使得通過(guò)變壓器耦合并經(jīng)整流濾波后加在場(chǎng)效應管V1的GS端的電壓緩慢上升，以使場(chǎng)效應管在可變電阻區工作一段時(shí)間。由于場(chǎng)效應管是電壓控制型器件，消耗電流極小，高頻振蕩信號整流濾波后的幅值前后幾乎一樣，場(chǎng)效應管很快完全導通，浪涌電流很大，在場(chǎng)效應管GS兩端并聯(lián)電阻R5，加大SG3525輸出端的負載，浪涌電流有所降低，但SG3525發(fā)熱嚴重，此方法行不通。

由于SG3525的輸出端電壓可由13引腳決定，因此如果13引腳的電壓由低變高，則輸出端脈沖電壓也會(huì )由低變高，這樣整流濾波后的電壓也會(huì )由低變高，場(chǎng)效應管在可變電阻區可工作一段時(shí)間以減小浪涌電流。為獲得一個(gè)由低變高的電壓，采用圖4中的LM317電路，由于LM317的輸出電壓Vout=1.25V(1+R6/R7)，為得到一個(gè)緩慢上升的Vout，在R6兩端并聯(lián)電容C8，當開(kāi)機信號為高電平時(shí)，R6兩端電阻幾乎為零，Vout=1.25V。當開(kāi)機信號為低電平時(shí)，電容C8充電,Vout逐漸上升，直至充電完成，此時(shí)Vout=1.25V(1+R6/R7)。改變C8的大小即可改變Vout上升的速率，也就改變了場(chǎng)效應管工作在可變電阻區的時(shí)間。開(kāi)機信號為高電平時(shí)，電容C8通過(guò)V2放電，Vout下降。

在圖4中場(chǎng)效應管V1的選擇應考慮到導通時(shí)能安全承受的最大漏-源極電壓和電流。必要時(shí)可采取過(guò)壓保護、抑制尖峰的措施，為增加導通電流可以將場(chǎng)效應管并聯(lián)工作。由于整流電路出來(lái)的電壓有300V，同時(shí)要求場(chǎng)效應管完全導通時(shí)導通電阻足夠小，以減小管壓降，降低發(fā)熱，這里選用IXTM21N50，場(chǎng)效應管由關(guān)斷到完全導通的時(shí)間主要由C8決定，由完全導通到關(guān)斷的時(shí)間主要由SG3525決定。當開(kāi)機信號為高電平時(shí)，SG3525輸出將在200ns內關(guān)斷。

圖4  抑制浪涌電流電路

接下來(lái)的問(wèn)題是如何確定C8的值，使得浪涌電流足夠小同時(shí)場(chǎng)效應管又能安全工作。由圖4的工作過(guò)程來(lái)看，可將場(chǎng)效應管看作時(shí)變電阻R，由于場(chǎng)效應管工作在可變電阻區時(shí)導通電阻R∝1/VGS，而對某一時(shí)刻VGS∝Vout，Vout∝1/C8
R∝C8
因此浪涌電流最大值為:  IMAX∝1/C8
改變C8的大小就可以改變浪涌電流最大值IMAX。

試驗結果

對電路進(jìn)行仿真，得到圖5電流波形，由圖中可以看到當C8較大時(shí)，由于VGS上升較慢，IDS幾乎看不到有上沖，電流上升平穩。為保證場(chǎng)效應管安全工作，必須使浪涌電流小于管子的允許值，而且為使電子設備對電源的影響足夠小，同時(shí)電路及時(shí)工作，應選用合適的電容C8。我們選擇C8=166mF, 可消除浪涌電流，得到與仿真波形相似的結果。

結語(yǔ)

該電路在濾波電容400mF、輸出功率2kW下長(cháng)時(shí)間穩定可靠工作，目前已批量生產(chǎn)用于某型電子設備中。該電路的改進(jìn)型已廣泛用于其它電子設備中。如果將兩只場(chǎng)效應管反向串聯(lián)替代V1，則該電路稍加改動(dòng)可以用于交流電路的軟啟動(dòng)，現已用于開(kāi)關(guān)該型電子設備中的交流風(fēng)機，效果很好。

參考文獻：

1．  徐德高，金剛: 脈寬調制變換器型穩壓電源，科學(xué)出版社，1983
2．  童詩(shī)白主編:模擬電子技術(shù)基礎，第二版，高等教育出版社，1988
3．  葉慧貞，楊興洲：新穎開(kāi)關(guān)穩壓電源，國防工業(yè)出版社，1999