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造成系統毀損及耗能的浪湧電流
 

【作者: 趙洪誠】2013年04月30日 星期二

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星期六的下午阳光透过房间的窗户,光线折射在雪花窗棂,温暖的金黄色的阳光舒服地洒在脸上,躺在柔软沙发上度过一个下午,许久没有如此自在,突然远处的手机响起,还在思考要不要接时,万万没想到来电显示的是国外技术服务经理,铁定是急事,接听下果然有大事不妙,我们的产品开机导致系统其它设备重新开机。


左思右想一定是系统内无熔丝开关容量过少,建议在安全规格内加大无熔丝开关容量,问题暂时解决了隔天进入办公室先量测一下产品的浪涌电流(inrush current),果然如图1不是理想, 显示瞬间浪涌电流是44安培, 虽然inrush current没有硬性国际规范限制,但终就需研究一下各家设计,以及一些特定业别应用的场地注意事项及限制在此分享给各位读者。



图一 : 显示瞬间浪涌电流为44安培
图一 : 显示瞬间浪涌电流为44安培

何谓浪涌电流(inrush current)

浪涌电流(inrush current)是一种电源启动时产生的峰值电流(spike of current)。图2是一种典型的直流对直流的电源系统。


EMI滤波器输入线路端包含了一些电容,同样直流-直流转换器在输入和输出端也含有电容,负载端有可能含有其它的附加电容及杂散电容。当电源启动时电流对其电容充电的暂态至稳态电压的电流即称为浪涌电流(Inrush Current)。在电容器前端没有连接任何阻尼时交流或者直流电网瞬间造成电容器类似短路效果当然瞬间浪涌电流也会导致电容器的寿命减损。



图二 : 典型直流对直流的电源系统
图二 : 典型直流对直流的电源系统

一般电源器首重其保护装置,电流保护元件即俗称的保险丝,在应用上可细分为一次或多次型保险丝(One Time or Resettable fuse)。其工作原理乃是利用电流之焦耳定律:


图三 : 焦耳定律
图三 : 焦耳定律

将电流转换为热量,此热量则提供融断保险丝内之金属层能量使电路开路,进而保护后端元件之安全性,一般小电流之保险丝其瓶颈在于如何克服浪涌电流(Inrush Current),为了避免开机之浪涌电流对保险丝造成永久破坏,建议采用适当的电路来降低浪涌电流(inrush current)。


据PC的电源为例,假设其功率为300瓦,效率为90%,如果没有任何限制浪涌电流(Inrush Current)的元件设计。那么输入电流的路径是电源110V经过整流二极体再充电至电容,依电源110V当输入电压在峰值的短暂时间。


简单的用欧姆定律来说I=V/R。


V峰值=110*根号2=110*1.414=155.5V。


R值为总网路阻抗,包含整流二极体的动态等效阻抗,电容的等效阻抗(ESR)。


假设整流二极体的动态等效阻抗大约是0.1欧姆来算,电容的等效阻抗(ESR)大约是2欧姆来算。


于是I=V/R=155.5/(2+0.1)=74A其瞬间浪涌电流为74A,假设其t=0.05sec Inrush current =74A。你所使用的保险丝需满足下列焦耳公式:


代入焦耳公式得到的答案等同0.037度,启动时瞬间耗电量约0.037度,相当于连续使用12秒之电量,自然会减少产品的寿命。


计算出来的值焦耳可以用查表如表1的方式来找到适合的保险丝,为了满足浪涌电流(inrush current)的前题其值远超过稳态电流(nominal current),可能造成电源有异常时因选择的保险丝容值超过输入稳态电流(nominal current) 均值而无法即时切断(Cut-off) 电源,造成后端元件之永久毁损。



图四 : 一般保险丝容?选择表(注1),注1: 本表取自littlefuse产品官网( http://www.littelfuse.com/)
图四 : 一般保险丝容?选择表(注1),注1: 本表取自littlefuse产品官网( http://www.littelfuse.com/)

浪涌电流波形 (Inrush Current Waveform)

浪涌电流波形图4是一个典型的浪涌电流(Inrush current)波形。它有两个尖峰。


第一个浪涌尖端电流峰值是输入电压电源(input voltage source) 启动时产生的。这个峰值电流流入EMI滤波器电容和直流-直流转换器的输入端电容,并被充电至稳态值(steady state value)。


第二个是电流峰值是直流-直流转换器启动时产生的。这个峰值电流通过直流-直流电源变压器流入到输出端电容器和所有负载电容,充电至稳态值。



图五 : 典型的浪涌电流波形
图五 : 典型的浪涌电流波形

限制浪涌电流方式

一般限制浪涌电流的方式有二种:


第一种方式常使用于传统限制浪涌电流,即被动式限制浪涌电流(Passive Inrush Limiting)。本方法就是在电容前面串联一系列组件。如图5前端的示意图。串联热敏电阻R1将限制输入电流,直至输入电容被充满。随后继电器S1闭合,使电流全部流向下级直流-直流转换器。


继电器线圈能用28V输入电压驱动,因此它将在一定程度上实现自动控制。因热敏电阻(Thermistor)类似RTD,它们都是电阻,热敏电阻的电阻随着温度升高而降低如图6是标准的热敏电阻温度曲线。故于高温时因其内阻降低对浪涌电流的抑止效果骤降,热敏电阻和RTD的主要差异在于它们是由金属氧化半导体材料制成,并披以玻璃或环氧树酯。


它们也有两种不同类型,负温度系数 (negative temperature coefficient;NTC) 与正温度系数(positive temperature coefficient;PTC)。 NTC热敏电阻的电阻随着温度升高而降低,而PTC热敏电阻器的电阻则随着温度升高而升高。故在设计中可以将PTC及NTC串结以减少温度变化造成阻尼改变的影响。



图六 : 有效限制浪涌?流的串??阻?路
图六 : 有效限制浪涌?流的串??阻?路

图七 : 标准的热敏电阻温度曲线
图七 : 标准的热敏电阻温度曲线

再据交流-直流(AC-DC)电源如图7为例说明其架构及量测出来的inrush current波形,显示出的EMI X-电容仅为约1.0μF,导致浪涌电流主要是内部大容量电容器,故需于前端放置NTC电阻来降低其浪涌电流其电流图如图8~9分别依交流115V及230V量测电流的结果。



图八 : 标准的AC-DC内置热敏电阻的电源方块图
图八 : 标准的AC-DC内置热敏电阻的电源方块图

图九 : 输入为AC115V/90。 的电流waveform CH1: Vin (100V/div), CH2: Iin (10A/div),
图九 : 输入为AC115V/90。 的电流waveform CH1: Vin (100V/div), CH2: Iin (10A/div),

图十 : 输入为AC230V/90。 的电流waveform CH1: Vin (100V/div), CH2: Iin (10A/div),
图十 : 输入为AC230V/90。 的电流waveform CH1: Vin (100V/div), CH2: Iin (10A/div),

第二种就是主动式限制浪涌电流(Active Inrush Limiting),其等效电路如图10所示。这个电路在电源端负极使用一个MOS场效应管(MOSFET)系列器件Q1。 Q1通过R2拉低其门限电压,通常是断开的。当施加输入电压时,通过R1为栅极充电。


Q1的充电时间和开启时间将由于C1的存在而减慢。可以选用R1和C1来为输入电容缓慢充电,来限制浪涌电流。在输入电容充好后,Q1栅极将会充电,直至被齐纳(稳压)二极管(Zener Diode)限制,然后Q1将保持完全开启。



图十一 : 有效限制浪涌电流的串联晶体管离散电
图十一 : 有效限制浪涌电流的串联晶体管离散电

这个电路可以修改为将Q1放置正极。 P channel MOS场效应管或者N channel MOS场效应管都可用,但是需使用由充电泵(charge pump)或者隔离供给(isolated supply)来驱动栅极。另外还存在其他一些有效的浪涌限制电路。他们均在输入电源端使用一些串联组件且以几乎相同的方式发挥作用。很重要的是一旦输入电容器被充电,这些装置应被旁路或完全开启,以限制线阻抗和功率耗损。


笔者另外研究了PULS电源采用一个新的方法,即透过延后开启(Soft start)有效的降低其脉冲充电对电解电容充电的电流,其电路示意图如图11透过控制MOSFET对电解电容充电及飞轮二极体放电的有效限制浪涌电流串联线路,其量测的结果如图12一般采用NTC与采用延后开启(Soft start)的inrush current波形图,透过延后开启有效控制了浪涌电流降至3安培。



图十二 : 延后开?(Soft start)电路图
图十二 : 延后开?(Soft start)电路图

图十三 : 一般采用NTC 与采用延后开?(Soft start)的inrush current 波形图
图十三 : 一般采用NTC 与采用延后开?(Soft start)的inrush current 波形图

浪涌电流量测方式

直流浪涌尖峰电流量测需透过直流供应器先充饱电容治具,电容治具(电容治具的容值必须大于待测物(DUT)机器内部输入电容值的10倍以上)。


电容治具与待测物间, 需串结电阻以量测其电压值来换算成电流值,当开关启动时就可以取得浪涌尖峰电流,开关最好使用低Ron值的MOSFET,因使用Relay或着SSR固态功率开关(solid state relay) 会?生弹跳造成量测不准,其接线方式如图13浪涌尖峰电流量测接线图。


打开电源供应器,先对电容充电,此时开关应为OFF,等待约20秒钟,打开开关使DUT开机,并在数位示波器上撷取到波形。将在数位示波器撷取到的波形,调整其电流尺度使其可在画面显示出最大尺度,接着量测电压最大值,电流最大值,以及打开游标将游标停留至1ms,并储存波形,其量测的波形如图14波形图。


测试条件:


●环境条件:温度25℃相对湿度65%


●测试条件:输入电压以产品规格之全电压频率范围 Min/115Vac/230Vac/Max


●输出负载以产品规格之最大额定电流值﹒


●量测时必须于输入之交流电压在相角90度时,将电源供应器开启,量测其输出入瞬间电流量﹒


●冷机和热机各做一次.


●结果判定:不能造成产品元件损坏.



图十四 : 浪涌尖峰?流量测接?图
图十四 : 浪涌尖峰?流量测接?图

图十五 : Inrush current 量测波形图
图十五 : Inrush current 量测波形图

工业领域业的规范

在大型电力系统因考量系统电力品质(PFC) 对浪涌电流(Inrush current)有其一定的限制,在此按大家熟习的行业来说明。


首先是石化业者,因其天燃气管道内考量高危险的气体可能引爆火花,故油气及天燃气设备除了一律采用密室防爆设计之外,其在高危险地区其电容器及电感器前需加入额外抑止浪涌电流的气密式阻尼加于伺服马达前端去除可能因浪涌电流造成的耦和放电并塔配滤波电路来消除浪涌和其他瞬态回流。


在轨道产规范其车体电流容量视其每一辆车体内断路器的规格而定,据台湾高?为例其车体内断路器容量2KVA,一般断路器分为B,CD 三种规格,如图15依C型断路器来说其容许浪涌电流(Inrush current)于1msec之后不得超过输入稳态电流的10倍。为顾虑尖峰电流可能对邻近的电路产生电磁干扰,或引起逆流电路断路器跳闸,可考虑使用固态功率控制器(solid state power controller)来抑止过电流保护失控。



图十六 : 各型断路器?格
图十六 : 各型断路器?格

'B型断路器之间的界限必须3至5倍额定电流


'C型断路器之间的界限必须5~10倍额定电流,


'D型断路器之间的界限必须10~20倍额定电流


在轨旁的电气设备因其作业非同步为了避免同时启动造成用电压力故一般采取


分时段分离方式启动电气设备,以降低对用电容量。


其它行业虽然没有国际标准要求浪涌电流的限制,但依经验?来定义,据一般自动化产业规范为例,其要求浪涌电流(Inrush current)不得超过输入稳态电流的15倍。


据汽车业为例,图16是整理汽车业对其汽车内使用的电器设备浪涌电流限制的倍数值,可以从图17大概了解汽车内各机电设备的架构图,依不同属性来分类,后端的玻璃加热器(Window Heating)属一般电阻式负载其倍数设为一,门窗的lock 是采用电磁阀其特性为感抗式负载倍数设为一,不同的设备有其不同的倍数限制,引擎室内的泵马达其特性为马达类负载数倍数设为十倍左右。



图十七 : 汽车内机电设备架构图
图十七 : 汽车内机电设备架构图

Brakes and Traction Control with the Agilent TS-5000 Family of Automotive Electronics>


结论

随者越来越多热插拔(Hot swapping Device)电源设计兴起,善用被动式或主动式抑止浪涌电流是未来电源设计的趋势,透过本文介绍的各工业领域的规范,有助于于日后从事工业领域的机电或电源工程师们了解浪涌电流限制值,避免走冤枉路,可以多一些时间于精益求精追求高附加价植的产品。未来也可以思考,如何透过电感储存浪涌电流的能量回收至前端再生,有助于整个效能的提升。


(本文作者为赵洪诚)


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