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類型分類：: 科普知識(shí)

數(shù)據(jù)分類：: 導(dǎo)軌式開關(guān)電源

PULS普爾世消除開關(guān)電源輸入浪涌電流解決方案

發(fā)布日期：2022-04-18 點(diǎn)擊率：83

通常在開關(guān)電源起動(dòng)時(shí)，可能需要輸入端的主電網(wǎng)提供短時(shí)的大電流脈沖，這種電流脈沖通常被稱為“輸入浪涌電流(inrush current)”。輸入浪涌電流首先給主電網(wǎng)中的斷路器（Main Circuit Breaker）和其它熔斷器的選擇造成了麻煩：斷路器一方面要保證在過載時(shí)熔斷，起到保護(hù)作用；另一方面又必須在輸入浪涌電流出現(xiàn)時(shí)不能熔斷，避免誤動(dòng)作。其次，輸入浪涌電流會(huì)產(chǎn)生輸入電壓波形塌陷，使供電質(zhì)量變差，進(jìn)而影響其它用電設(shè)備的工作。通常，輸入浪涌電流沒能引起系統(tǒng)工程師們在選擇電源時(shí)足夠的重視，從而可能導(dǎo)致系統(tǒng)在起動(dòng)時(shí)的種種困難。
PULS普爾世的研發(fā)人員開發(fā)了一種有效的方法來限制輸入浪涌電流，并應(yīng)用到該公司推出的DIMENSION概念型產(chǎn)品當(dāng)中。這種方法有效地消除了輸入浪涌電流，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源無害的“軟”起動(dòng)。

出現(xiàn)輸入浪涌電流的原因

現(xiàn)代的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、逆變器和開關(guān)電源等一般通過脈沖調(diào)制技術(shù)(PWM)來轉(zhuǎn)換電能，其中的核心部件是直流直流轉(zhuǎn)換器。如圖1所示的開關(guān)電源中，輸入電壓首先經(jīng)過干擾濾波，再通過橋式整流器變成直流，然后通過一個(gè)很大的電解電容器進(jìn)行波形平滑，之后才能進(jìn)入真正的直流直流轉(zhuǎn)換器。輸入浪涌電流就是在對(duì)這個(gè)電解電容器進(jìn)行初始充電時(shí)產(chǎn)生的，它的大小取決于起動(dòng)上電時(shí)輸入電壓的幅值以及由橋式整流器和電解電容器所形成回路的總電阻。如果恰好在交流輸入電壓的峰值點(diǎn)起動(dòng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)峰值輸入浪涌電流。

圖1 開關(guān)電源輸入端簡圖

傳統(tǒng)的輸入浪涌電流限制方法：串聯(lián)負(fù)溫度系數(shù)熱敏限流電阻器(NTC)

限制電流的最簡單方法當(dāng)然就是串聯(lián)限流電阻器，而由于輸入浪涌電流只在開關(guān)電源起動(dòng)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)，所以限流電阻器在起動(dòng)之后最好被短路或減少阻值，以避免起動(dòng)之后該電阻器上產(chǎn)生的不必要的功率損耗。串聯(lián)負(fù)溫度系數(shù)熱敏限流電阻器NTC無疑是目前為止最簡單的抑制輸入浪涌電流的方法。因?yàn)镹TC電阻器會(huì)隨溫度升高而降低。在開關(guān)電源起動(dòng)時(shí)，NTC電阻器處于常溫，有很高的電阻，可以有效地限制電流；而在電源起動(dòng)之后，NTC電阻器會(huì)由于自身散熱而迅速升溫至約110oC，電阻值則減少到室溫時(shí)的約十五分之一，減少了開關(guān)電源正常工作時(shí)的功率損耗。
然而這種簡單的方法具有很多缺點(diǎn)：

1. NTC電阻器的限流效果受環(huán)境溫度影響較大：如果在低溫（零下）起動(dòng)時(shí)，電阻過大，充電電流過小，開關(guān)電源可能無法起動(dòng)；如果在高溫起動(dòng)，電阻器的阻值過小，則可能達(dá)不到限制輸入浪涌電流的效果。
2. 限流效果在短暫的輸入主電網(wǎng)中斷（約幾百毫秒數(shù)量級(jí)）時(shí)只能部分地達(dá)到。在這個(gè)短暫的中斷期間，電解電容器已被放電，而NTC電阻器的溫度仍很高，阻值很小，在需要電源馬上重新起動(dòng)時(shí)，NTC無法有效地實(shí)現(xiàn)限流作用。
3. NTC電阻器的功率損耗降低了開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率。開關(guān)電源起動(dòng)之后，NTC電阻器就成了無用的耗電器件，它產(chǎn)生的功率損耗會(huì)使整個(gè)開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率降低1％左右，這對(duì)于一臺(tái)額定轉(zhuǎn)換效率為92％的開關(guān)電源而言，相當(dāng)于增加了15％的功率損耗。
4. 采用NTC限流電阻器的開關(guān)電源廠商提供的峰值輸入浪涌電流值很難進(jìn)行相互比較，不能給系統(tǒng)工程師提供有效的參考。因?yàn)檫@種限流方法受環(huán)境溫度、輸入電壓、測試方法等外界條件影響較大，目前也沒有統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 串聯(lián)NTC電阻器的24Vdc10A開關(guān)電源冷啟動(dòng)時(shí)的輸入浪涌電流典型峰值29A

變壓器電源的輸入浪涌電流限制器

變壓器電源起動(dòng)時(shí)也會(huì)出現(xiàn)輸入浪涌電流。然而，這種輸入浪涌電流的出現(xiàn)原因有所不同。當(dāng)變壓器電源在正弦輸入電壓的過零點(diǎn)起動(dòng)時(shí)，變壓器磁芯的磁化在前幾個(gè)周期中被迫進(jìn)入一種不平衡狀態(tài)。結(jié)果，磁芯在每個(gè)半周飽和。此時(shí)的勵(lì)磁電流只能由微弱的漏電感寄生電阻來限制，導(dǎo)致出現(xiàn)很大的輸入浪涌電流。變壓器電源通常帶有特殊的輸入浪涌電流限制器來保證其在正弦輸入電壓的峰值起動(dòng)，以防止出現(xiàn)很高的輸入浪涌電流。而如果在開關(guān)電源中也使用這種輸入浪涌電流限制器，則如前文所述，后果恰恰相反，不但起不到限流作用，反而會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)峰值輸入浪涌電流。

通過串聯(lián)固定電阻器來限制輸入浪涌電流

這種方法中的固定電阻器一般為功率電阻器。當(dāng)對(duì)電解電容器充電結(jié)束后，該固定電阻器則被旁路。繼電器、TRIACS，IGBT，或其它元件可以用來旁路該電阻器。這種方法比用NTC電阻器的成本要高得多，通常用在額定功率高于250W的開關(guān)電源中。它的優(yōu)點(diǎn)則在于限流效果不受環(huán)境溫度影響，而且避免了限流電阻器上的功率損耗。

圖3 通過在開關(guān)電源啟動(dòng)期間串聯(lián)固定電阻器限制輸入浪涌電流

絕佳解決方案：對(duì)輸入電解電容器的脈沖式充電

由PULS普爾世公司研發(fā)的這種方法，“軟化”了對(duì)電解電容器的充電。采用開關(guān)、電感器和續(xù)流二極管實(shí)現(xiàn)了對(duì)電解電容器低功耗的、脈沖式的充電。采用這種方法，還可以精確地計(jì)算出峰值輸入電流和對(duì)電解電容器的初始充電延遲等參數(shù)，便于系統(tǒng)工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)。在PULS普爾世的DIMENSION概念型產(chǎn)品線的精品Q系列及簡約C系列（部分產(chǎn)品）中，電解電容器的充電都被有意地延遲了，這一點(diǎn)在系統(tǒng)由于主電網(wǎng)輸入電壓中斷而重新起動(dòng)時(shí)有很大幫助：因?yàn)楫?dāng)輸入電壓剛剛恢復(fù)時(shí)，可能很多用電器都在努力獲得起動(dòng)電流。此時(shí)，所有用電器的峰值浪涌電流會(huì)疊加起來，對(duì)主斷路器(MCB)及輸入電壓造成極大的壓力。而PULS普爾世開關(guān)電源產(chǎn)品中的這一有意的充電延遲設(shè)定在了輸入電壓出現(xiàn)后的100毫秒之后，防止了熔斷器或MCB的熔斷，避免產(chǎn)生誤動(dòng)作。

圖4 對(duì)輸入電解電容器的脈沖式充電

通過脈沖式充電限制輸入浪涌電流的優(yōu)點(diǎn)在于：
1. 峰值輸入浪涌電流只略高于正常工作時(shí)最大的輸入電流；
2. 主斷路器(MCB)無需根據(jù)峰值輸入浪涌電流、而只需根據(jù)正常工作時(shí)的輸入電流設(shè)計(jì)；
3. 可以提供給系統(tǒng)工程師精確的峰值輸入浪涌電流值，不受環(huán)境溫度、輸入電壓或其它外界條件的影響；
4. 開關(guān)電源起動(dòng)和正常工作時(shí)的低功率損耗；
5. 延遲的充電過程減少了電網(wǎng)輸入電壓中斷后整個(gè)系統(tǒng)重起動(dòng)時(shí)所需的峰值電流；
6. 可以在－25 oC的低溫下起動(dòng)。