帳號:
密碼:
CTIMES / 文章 /   
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

瀏覽人次:【39621】
  

星期六的下午陽光透過房間的窗戶,光線折射在雪花窗櫺,溫暖的金黃色的陽光舒服地灑在臉上,躺在柔軟沙發上度過一個下午,許久沒有如此自在,突然遠處的手機響起,還在思考要不要接時,萬萬沒想到來電顯示的是國外技術服務經理,鐵定是急事,接聽下果然有大事不妙,我們的產品開機導致系統其它設備重新開機。


左思右想一定是系統內無熔絲開關容量過少,建議在安全規格內加大無熔絲開關容量,問題暫時解決了隔天進入辦公室先量測一下產品的浪湧電流(inrush current),果然如圖1不是理想, 顯示瞬間浪湧電流是44安培, 雖然inrush current沒有硬性國際規範限制,但終就需研究一下各家設計,以及一些特定業別應用的場地注意事項及限制在此分享給各位讀者。



圖一 :  顯示瞬間浪湧電流為44安培
圖一 : 顯示瞬間浪湧電流為44安培

何謂浪湧電流(inrush current)

浪湧電流(inrush current)是一種電源啟動時產生的峰值電流(spike of current)。圖2是一種典型的直流對直流的電源系統。


EMI濾波器輸入線路端包含了一些電容,同樣直流-直流轉換器在輸入和輸出端也含有電容,負載端有可能含有其它的附加電容及雜散電容。當電源啟動時電流對其電容充電的暫態至穩態電壓的電流即稱為浪湧電流(Inrush Current)。在電容器前端沒有連接任何阻尼時交流或者直流電網瞬間造成電容器類似短路效果當然瞬間浪湧電流也會導致電容器的壽命減損。



圖二 :  典型直流對直流的電源系統
圖二 : 典型直流對直流的電源系統

一般電源器首重其保護裝置,電流保護元件即俗稱的保險絲,在應用上可細分為一次或多次型保險絲(One Time or Resettable fuse)。其工作原理乃是利用電流之焦耳定律:


圖三 :  焦耳定律
圖三 : 焦耳定律

將電流轉換為熱量,此熱量則提供融斷保險絲內之金屬層能量使電路開路,進而保護後端元件之安全性,一般小電流之保險絲其瓶頸在於如何克服浪湧電流(Inrush Current),為了避免開機之浪湧電流對保險絲造成永久破壞,建議採用適當的電路來降低浪湧電流(inrush current)。


據PC的電源為例,假設其功率為300瓦,效率為90%,如果沒有任何限制浪湧電流(Inrush Current)的元件設計。那麼輸入電流的路徑是電源110V經過整流二極體再充電至電容,依電源110V當輸入電壓在峰值的短暫時間。


簡單的用歐姆定律來說I=V/R。


V峰值=110*根號2=110*1.414=155.5V。


R值為總網路阻抗,包含整流二極體的動態等效阻抗,電容的等效阻抗(ESR)。


假設整流二極體的動態等效阻抗大約是0.1歐姆來算,電容的等效阻抗(ESR)大約是2歐姆來算。


於是I=V/R=155.5/(2+0.1)=74A其瞬間浪湧電流為74A,假設其t=0.05sec Inrush current =74A。你所使用的保險絲需滿足下列焦耳公式:


代入焦耳公式得到的答案等同0.037度,啟動時瞬間耗電量約0.037度,相當於連續使用12秒之電量,自然會減少產品的壽命。


計算出來的值焦耳可以用查表如表1的方式來找到適合的保險絲,為了滿足浪湧電流(inrush current)的前題其值遠超過穩態電流(nominal current),可能造成電源有異常時因選擇的保險絲容值超過輸入穩態電流(nominal current) 均值而無法即時切斷(Cut-off) 電源,造成後端元件之永久毀損。



圖四 :  一般保險絲容?選擇表(註1),註1: 本表取自littlefuse產品官網( http://www.littelfuse.com/)
圖四 : 一般保險絲容?選擇表(註1),註1: 本表取自littlefuse產品官網( http://www.littelfuse.com/)

浪湧電流波形 (Inrush Current Waveform)

浪湧電流波形圖4是一個典型的浪湧電流(Inrush current)波形。它有兩個尖峰。


第一個浪湧尖端電流峰值是輸入電壓電源(input voltage source) 啟動時產生的。這個峰值電流流入EMI濾波器電容和直流-直流轉換器的輸入端電容,並被充電至穩態值(steady state value)。


第二個是電流峰值是直流-直流轉換器啟動時產生的。這個峰值電流通過直流-直流電源變壓器流入到輸出端電容器和所有負載電容,充電至穩態值。



圖五 : 典型的浪湧電流波形
圖五 : 典型的浪湧電流波形

限制浪湧電流方式

一般限制浪湧電流的方式有二種:


第一種方式常使用於傳統限制浪湧電流,即被動式限制浪湧電流(Passive Inrush Limiting)。本方法就是在電容前面串聯一系列組件。如圖5前端的示意圖。串聯熱敏電阻R1將限制輸入電流,直至輸入電容被充滿。隨後繼電器S1閉合,使電流全部流向下級直流-直流轉換器。


繼電器線圈能用28V輸入電壓驅動,因此它將在一定程度上實現自動控制。因熱敏電阻(Thermistor)類似RTD,它們都是電阻,熱敏電阻的電阻隨著溫度升高而降低如圖6是標準的熱敏電阻溫度曲線。故於高溫時因其內阻降低對浪湧電流的抑止效果驟降,熱敏電阻和RTD的主要差異在於它們是由金屬氧化半導體材料製成,並披以玻璃或環氧樹酯。


它們也有兩種不同類型,負溫度係數 (negative temperature coefficient;NTC) 與正溫度係數(positive temperature coefficient;PTC)。NTC熱敏電阻的電阻隨著溫度升高而降低,而PTC熱敏電阻器的電阻則隨著溫度升高而升高。故在設計中可以將PTC及NTC串結以減少溫度變化造成阻尼改變的影響。



圖六 : 有效限制浪涌?流的串??阻?路
圖六 : 有效限制浪涌?流的串??阻?路

圖七 : 標準的熱敏電阻溫度曲線
圖七 : 標準的熱敏電阻溫度曲線

再據交流-直流(AC-DC)電源如圖7為例說明其架構及量測出來的inrush current波形,顯示出的EMI X-電容僅為約1.0μF,導致浪湧電流主要是內部大容量電容器,故需於前端放置NTC電阻來降低其浪湧電流其電流圖如圖8~9分別依交流115V及230V量測電流的結果 。



圖八 : 標準的AC-DC內置熱敏電阻的電源方塊圖
圖八 : 標準的AC-DC內置熱敏電阻的電源方塊圖

圖九 : 輸入為AC115V/90。 的電流waveform CH1: Vin (100V/div), CH2: Iin (10A/div),
圖九 : 輸入為AC115V/90。 的電流waveform CH1: Vin (100V/div), CH2: Iin (10A/div),

圖十 : 輸入為AC230V/90。 的電流waveform CH1: Vin (100V/div), CH2: Iin (10A/div),
圖十 : 輸入為AC230V/90。 的電流waveform CH1: Vin (100V/div), CH2: Iin (10A/div),

第二種就是主動式限制浪湧電流(Active Inrush Limiting),其等效電路如圖10所示。這個電路在電源端負極使用一個MOS場效應管(MOSFET)系列器件Q1。Q1通過R2拉低其門限電壓,通常是斷開的。當施加輸入電壓時,通過R1為柵極充電。


Q1的充電時間和開啟時間將由於C1的存在而減慢。可以選用R1和C1來為輸入電容緩慢充電,來限制浪湧電流。在輸入電容充好後,Q1柵極將會充電,直至被齊納(穩壓)二極管(Zener Diode)限制,然後Q1將保持完全開啟。



圖十一 : 有效限制浪湧電流的串聯晶體管離散電
圖十一 : 有效限制浪湧電流的串聯晶體管離散電

這個電路可以修改為將Q1放置正極。P channel MOS場效應管或者N channel MOS場效應管都可用,但是需使用由充電泵(charge pump)或者隔離供給(isolated supply)來驅動柵極。另外還存在其他一些有效的浪湧限制電路。他們均在輸入電源端使用一些串聯組件且以幾乎相同的方式發揮作用。很重要的是一旦輸入電容器被充電,這些裝置應被旁路或完全開啟,以限制線阻抗和功率耗損。


筆者另外研究了PULS電源採用一個新的方法,即透過延後開啟(Soft start)有效的降低其脈衝充電對電解電容充電的電流,其電路示意圖如圖11透過控制MOSFET對電解電容充電及飛輪二極體放電的有效限制浪湧電流串聯線路,其量測的結果如圖12一般採用NTC與採用延後開啟(Soft start)的inrush current波形圖,透過延後開啟有效控制了浪湧電流降至3安培。



圖十二 :  延後開?(Soft start)電路圖
圖十二 : 延後開?(Soft start)電路圖

圖十三 :  一般採用NTC 與採用延後開?(Soft start)的inrush current 波形圖
圖十三 : 一般採用NTC 與採用延後開?(Soft start)的inrush current 波形圖

浪湧電流量測方式

直流浪湧尖峰電流量測需透過直流供應器先充飽電容治具,電容治具(電容治具的容值必須大於待測物(DUT)機器內部輸入電容值的10倍以上)。


電容治具與待測物間, 需串結電阻以量測其電壓值來換算成電流值,當開關啟動時就可以取得浪湧尖峰電流,開關最好使用低Ron值的MOSFET,因使用Relay 或著SSR固態功率開關(solid state relay) 會?生彈跳造成量測不準,其接線方式如圖13浪湧尖峰電流量測接線圖。


打開電源供應器,先對電容充電,此時開關應為OFF,等待約20秒鐘,打開開關使DUT開機,並在數位示波器上擷取到波形。將在數位示波器擷取到的波形,調整其電流尺度使其可在畫面顯示出最大尺度,接著量測電壓最大值,電流最大值,以及打開游標將遊標停留至1ms,並儲存波形,其量測的波形如圖14波形圖。


測試條件:


●環境條件:溫度25℃相對濕度65%


●測試條件:輸入電壓以產品規格之全電壓頻率範圍 Min/115Vac/230Vac/Max


●輸出負載以產品規格之最大額定電流值﹒


●量測時必須於輸入之交流電壓在相角90度時,將電源供應器開啟,量測其輸出入瞬間電流量﹒


●冷機和熱機各做一次.


●結果判定:不能造成產品元件損壞.



圖十四 :  浪湧尖峰?流量測接?圖
圖十四 : 浪湧尖峰?流量測接?圖

圖十五 :  Inrush current 量測波形圖
圖十五 : Inrush current 量測波形圖

工業領域業的規範

在大型電氣系統因考量系統電力品質(PFC) 對浪湧電流(Inrush current)有其一定的限制,在此按大家熟習的行業來說明。


首先是石化業者,因其天燃氣管道內考量高危險的氣體可能引爆火花,故油氣及天燃氣設備除了一律採用密室防爆設計之外,其在高危險地區其電容器及電感器前需加入額外抑止浪湧電流的氣密式阻尼加於伺服馬達前端去除可能因浪湧電流造成的耦和放電並塔配濾波電路來消除浪湧和其他瞬態回流。


在軌道產規範其車體電流容量視其每一輛車體內斷路器的規格而定,據台灣高?為例其車體內斷路器容量2KVA,一般斷路器分為B,C.D 三種規格,如圖15依C型斷路器來說其容許浪湧電流(Inrush current)於1msec之後不得超過輸入穩態電流的10倍。為顧慮尖峰電流可能對鄰近的電路產生電磁幹擾,或引起逆流電路斷路器跳閘,可考慮使用固態功率控制器(solid state power controller)來抑止過電流保護失控。



圖十六 :  各型斷路器?格
圖十六 : 各型斷路器?格

'B型斷路器之間的界限必須3至5倍額定電流


'C型斷路器之間的界限必須5~10倍額定電流,


'D型斷路器之間的界限必須10~20倍額定電流


在軌旁的電氣設備因其作業非同步為了避免同時啟動造成用電壓力故一般採取


分時段分離方式啟動電氣設備,以降低對用電容量。


其它行業雖然沒有國際標準要求浪湧電流的限制,但依經驗?來定義,據一般自動化產業規範為例,其要求浪湧電流(Inrush current)不得超過輸入穩態電流的15倍。


據汽車業為例,圖16是整理汽車業對其汽車內使用的電器設備浪湧電流限制的倍數值,可以從圖17大概瞭解汽車內各機電設備的架構圖,依不同屬性來分類,後端的玻璃加熱器(Window Heating)屬一般電阻式負載其倍數設為一,門窗的lock 是採用電磁閥其特性為感抗式負載倍數設為一,不同的設備有其不同的倍數限制,引擎室內的泵馬達其特性為馬達類負載數倍數設為十倍左右。



圖十七 :  汽車內機電設備架構圖
圖十七 : 汽車內機電設備架構圖

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


結論

隨者越來越多熱插拔(Hot swapping Device)電源設計興起,善用被動式或主動式抑止浪湧電流是未來電源設計的趨勢,透過本文介紹的各工業領域的規範,有助於於日後從事工業領域的機電或電源工程師們瞭解浪湧電流限制值,避免走冤枉路,可以多一些時間於精益求精追求高附加價植的產品。未來也可以思考,如何透過電感儲存浪湧電流的能量回收至前端再生,有助於整個效能的提昇。


(本文作者為趙洪誠)


相關文章
802.11ax連結能力在汽車環境中的價值主張
AirPower無線充電難在哪? 讓蘋果不得不取消
終端設備應用漸多 穩定運作關鍵在於韌體設計
感測器新功能加速物聯網技術應用於智慧場域
CNC數控擴增應用 AIoT與客製化分向發展
comments powered by Disqus
相關討論
  相關新品
mbed
原廠/品牌:RS
供應商:RS
產品類別:PC Board
Arduino
原廠/品牌:RS
供應商:RS
產品類別:PC Board
Raspberry Pi
原廠/品牌:RS
供應商:RS
產品類別:PC Board
  相關新聞
» InnoVEX競賽首獎Taiwan Tech Award高達10萬美元
» 微軟與保險業者好險網合作推出「保險機器人」
» ROHM決定接手Panasonic旗下二極體與電晶體事業
» 工研院:螢幕保護是可摺疊螢幕手機最大的挑戰
» Epson攜手台科大、和碩成立自動化產業人才認證中心
  相關產品
» 儒卓力供應RECOM佔位面積為1”x 1” 的緊湊型DC/DC轉換器
» 技嘉推出多款GeForce GTX 1650晶片顯示卡
» Fluke首款可攜式口袋熱像儀上市
» Fluke首款工業聲學成像儀ii900上市
» Fluke四款640 x 480解析度熱像儀齊登場
  相關資源
» Power Management Solutions for Altera FPGAs

AD


刊登廣告 新聞信箱 讀者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2019 遠播資訊股份有限公司版權所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29號11樓 / 電話 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw