將電流控制與浪涌電流限制器相結(jié)合
出處：維庫電子市場網(wǎng) 發(fā)布于：2025-03-28 16:45:35 | 213 次閱讀
當電源、變頻器或車載充電器等大功率負載通電時，在短時間內(nèi)會產(chǎn)生數(shù)倍于額定電流的電流。這可能會導(dǎo)致不良影響，例如保險絲跳閘，甚至損壞系統(tǒng)。
特別是兩種類型的負載，會導(dǎo)致高浪涌電流：第一種類型包括感應(yīng)負載，例如電機和變壓器，它們需要非常高的電流才能產(chǎn)生磁場。第二組由直流鏈路中的高電容電容器組成，它們在連接時產(chǎn)生非常高的充電電流，這對電容器本身以及整流器來說都是一個相當大的應(yīng)力因數(shù)。
無浪涌電流限制（紅色）和有浪涌電流限制（綠色）的整流器中的電流。
圖 1.無浪涌電流限制（紅色）和有浪涌電流限制（綠色）的整流器中的電流。
最簡單的方法是使用低歐姆功率電阻器來限制浪涌電流。然而，這確實有一個缺點，即在正常模式下，這些 resistor 上會發(fā)生功率損耗，這一點不容忽視。一個更好的解決方案是將熱敏電阻用作 ICL。NTC 或 PTC 熱敏電阻具有不同的熱特性，因此提供了不同的使用可能性。
利用這些組件的所有優(yōu)勢的一種方法是將它們組合使用。首先，讓我們看看 NTC 熱敏電阻。
采用 NTC 熱敏電阻的優(yōu)雅解決方案
限制高輸入側(cè)浪涌電流的一種非常優(yōu)雅的解決方案是使用 EPCOS NTC 熱敏電阻。
功能原理：這些陶瓷元件是與溫度相關(guān)的電阻器，其電阻會隨著溫度的升高而下降。在室溫 （25°C） 下，它們表現(xiàn)出特定的電阻值 （R25），從而限制浪涌電流。當電流繼續(xù)流過元件時，它會發(fā)熱，電阻下降到非常低的值，根據(jù)類型，該值可能明顯低于 1 歐姆。額定電流下的損耗相應(yīng)地很低。
圖 2 顯示了各種 NTC ICL 相對于溫度的典型電阻器特性曲線。
NTC 浪涌電流限制器，啟動電阻 R25 為 10 Ω。
NTC ICL 的選擇標準
確定合適的 NTC 熱敏電阻的兩個最重要的標準是初始電阻 （R25） 和最大電流。首先，確定所需的 R25。它必須選擇得足夠高，以便通過與負載串聯(lián)，將電流限制在尚未導(dǎo)致保險絲跳閘的值，并且不會損壞負載組件，例如整流器。
NTC ICL 的典型降額特性。
第二個標準是 Imax，它由負載的額定功率決定。這里重要的是 NTC 熱敏電阻的降額。圖 3 顯示了一個典型的示例。
TDK 提供各種 NTC 熱敏電阻，R25 介于 0.5 Ω 和 33 Ω之間，允許電流為 1.3 A 至 30 A。
使用 ICL 時，應(yīng)確保大約 90 秒的冷卻時間，具體取決于類型，這在負載頻繁短間隔接通和關(guān)閉的情況下可能會出現(xiàn)問題，因為預(yù)熱的 NTC 熱敏電阻的歐姆非常低，因此幾乎沒有電流限制。
這里提供了一種補救措施，即使用繼電器或晶閘管旁路 NTC 熱敏電阻。這可以在接通后幾秒鐘內(nèi)發(fā)生，因為大多數(shù)負載已經(jīng)以額定電流運行。由于采用了旁路，NTC 熱敏電阻不會升溫。
圖 4 顯示了 ICL 的時間控制旁路電路。
圖 4.用于 ICL 的時間控制旁路電路。
旁路電路的響應(yīng)時間由 R1 和 C1 的時間常數(shù)以及齊納二極管的值決定。在示例電路中，繼電器在大約 3 或 4 秒后響應(yīng) - 具體取決于組件的公差。
在所使用的繼電器（24 V DC，8 A AC）上，線圈的保持電壓約為 0.5 UN。由于 C2 的充電電流，繼電器在 C2 充電后響應(yīng)并以額定電壓的一半運行，從而將電流需求減半。特別是當負載具有高額定電流時，該電路的功率需求小于通過 NTC 熱敏電阻的連續(xù)電流引起的損耗。
通過 PTC 熱敏電阻限制充電電流的直流鏈路電路。
PTC 熱敏電阻采用封裝和標準圓盤設(shè)計。
通過 PTC 熱敏電阻實現(xiàn)可靠的電容器充電
直流鏈路電路中的高電容電容器和電容器組代表在接通時短路。為了實現(xiàn)可靠的電流限制，應(yīng)使用 PTC 熱敏電阻而不是固定電阻器。
大電流會導(dǎo)致這些元件發(fā)熱，并與 NTC 熱敏電阻相反，變得高電阻，這使得它們具有本質(zhì)安全性。這種行為的優(yōu)點是，在 DC 鏈路短路的情況下，電流被限制在無害的值，這是固定電阻器無法提供的。圖 5 顯示了帶有 PTC 熱敏電阻的三相系統(tǒng)的直流母線電路，例如，用于變頻器。
對于直流母線電路，TDK 提供一系列專用 PTC 熱敏電阻，這些熱敏電阻設(shè)計用于 260 V DC 至 560 V DC 的電壓，在 25 °C 時提供 22 Ω 至 1100 Ω 的電阻，并且根據(jù)其類型，具有符合 UL、IECQ 和 VDE 的認證，并符合 AEC-Q200 標準。
特別是在電容器組較大的情況下，應(yīng)注意不要超過 PTC 熱敏電阻的最大熱容和最高允許溫度。通過并聯(lián) PTC ICL 可以實現(xiàn)必要的熱容。所需的最小組件數(shù)計算如下：
n – 所需的 PTC 元件數(shù)量
k – 系數(shù)取決于電源（直流時 k = 1;三相整流器為 k=0.96;單相整流器為 k = 0.76）
C – 直流鏈路電容器的電容，單位為 F
V – 電容器的最大充電電壓，單位為 V
Cth – PTC 熱敏電阻的熱容
TRef – 所用 PTC 熱敏電阻的參考溫度
TAmax – 最高環(huán)境溫度
在正常工作期間，PTC ICL 或并聯(lián)的多個 PTC ICL 必須在對 DC Link 電容器進行充電后旁路，以免產(chǎn)生任何功率損耗。但是，如果直流鏈路發(fā)生短路 - 可能是由電容器損壞引起的，則不得有旁路。
因此，旁路電路最重要的參數(shù)是直流母線電壓。如果充電后達到設(shè)定值，則沒有故障;另一方面，如果它在較長時間內(nèi)保持非常低的值，則存在短路。這使得比較器電路可以毫不費力地實現(xiàn)，只有在對直流鏈路充電后才能繞過 PTC 熱敏電阻（圖 7）。
圖 7.用于 PTC 熱敏電阻的電壓控制旁路。
功能說明：比較器的反相輸入通過齊納二極管 ZPD3.9 控制。只要將小于 3.9 V 的電壓施加到同相輸入端，輸出端就會出現(xiàn)接近 0 V 的電壓，T1 會阻塞繼電器。
只有當通過分壓器 R1/R2 到 R2 施加超過 3.9 V 的電壓時，輸出上的比較器才會跳閘到正電位，而 T1 會切換繼電器，從而導(dǎo)致 PTC 熱敏電阻被旁路。分壓器 R1/R2 的尺寸應(yīng)使繼電器在額定直流母線電壓的 80% 左右進行切換。
由于直流鏈路電壓可能為數(shù)百伏，因此 R1 和 R2 必須使用高阻抗類型。例如，當額定直流母線電壓為 500 V DC 時，400 V DC 時達到 80%。此時，R1 的值約為 990 kΩ，R2 的值約為 10 kΩ。壓敏電阻和齊納二極管 ZPD12 用于保護比較器的同相輸入免受過電壓的影響。
NTC 和 PTC 浪涌電流限制器的電壓控制組合。
結(jié)合優(yōu)勢
特別是在具有高直流鏈路電容的大功率負載（例如工業(yè)電源和轉(zhuǎn)換器中的負載）的情況下，建議將 NTC 和 PTC 浪涌電流限制器的優(yōu)點和功能結(jié)合起來。
因此，使用此處描述的電壓控制導(dǎo)通時間也用于旁路電源輸入側(cè)的 NTC 熱敏電阻是明智的。為此，在圖 7 所示的電路中需要一個帶有兩個轉(zhuǎn)換觸點的繼電器。然后，圖 8 顯示了完整的電路，其中 NTC 和 PTC 熱敏電阻同時切換。此外，還集成了一個 LED，指示尚未應(yīng)用跳線。
這種組合浪涌電流限制的優(yōu)點是保護組件，避免電源側(cè)或設(shè)備內(nèi)部保險絲意外跳閘，以及在直流鏈路短路時可靠地限制電流。
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