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TDK EPCOS

浪涌电流抑制器

2018年8月28日

组合式电流控制

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当熔丝和电气元件通电时,大功率负载会导致极高的电流,从而使系统存在很大压力。为了避免这种状况,TDK公司提供了陶瓷式爱普科斯 (EPCOS) 浪涌电流抑制器,它是一种基于负温度系数 (NTC) 和正温度系数 (PTC) 热敏电阻的电流限制器,两种热敏电阻在一起使用构成了一个强大的组合。

当电源、变频器或板载充电器等大功率负载通电时,电流在短时间内可能达到额定电流的数倍。这会导致不良结果,例如熔丝跳闸,甚至是损坏系统。两种类型负载尤其会造成高冲击电流,一种是需要利用大电流形成磁场的感性负载,例如电机和变压器;另一种是直流电路中的大容量电容,它会在电路连通时产生极高的充电电流,从而对电容器本身以及整流器产生极大的压力。采用浪涌电流抑制器及无浪涌电流抑制器时的实际电流波形如图1所示。

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图 1:

无浪涌电流抑制器时整流器中的电流(红色)以及有浪涌电流抑制器时的电流(绿色)

限制冲击电流的最简单方式是使用低阻值功率电阻器。但这种方式的劣势是在正常模式下这些电阻器上会发生不可忽视的功率损失。一种更好的解决方案是将热敏电阻用作作为浪涌电流抑制器 (ICL)。负温度系数 (NTC) 或正温度系数 (PTC) 热敏电阻拥有不同的热特性,因此提供了不同的应用可能性。一种全面利用这些元件优点的一种方式是将它们组合使用。让我们首先来看看负温度系数热敏电阻:

采用NTC热敏电阻的简洁解决方案

使用爱普科斯 (EPCOS) NTC热敏电阻是一种限制高输入冲击电流的极简解决方案。功能与原理:这些陶瓷元件是一种取决于温度的电阻器,它的电阻值会随着温度的升高而下降。在室温环境下 (25 °C),它呈现出特定的电阻值 (R25) 以限制冲击电流。当电流持续流过元件时,NTC热敏电阻将会升温,导致其电阻值降低至极低值,某些型号产品可显著低于1Ω,从而使额定电流下的功率损失很低。图2显示了多种NTC浪涌电流抑制器的典型电阻-温度特性曲线。

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图 2:

爱普科斯 (EPCOS) NTC浪涌电流抑制器的典型特性曲线。

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启动电阻R25为10Ω的NTC浪涌电流抑制器。


NTC浪涌电流抑制器的选择标准

选择合适NTC热敏电阻的两个最重要标准为初始电阻 (R25) 和最大电流。首先,确定所需的初始电阻R25。它的值必须足够高,通过与负载串联,将电流限制在不会导致熔丝跳闸的水平,从而不会对整流器等负载元件造成损坏。

第二个标准为Imax,由负载的额定功率确定。此处最重要的是NTC热敏电阻的降额。典型示例如图3所示。

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图 3:

NTC浪涌电流抑制器的典型降额特性。

TDK公司提供了广泛的NTC热敏电阻产品,R25的选择范围为0.5Ω至33Ω,允许电流为1.3 A至30 A。

当使用浪涌电流抑制器时,应确保约90秒的冷却时间(取决于具体型号),以防负载在短时间内频繁接通和断开时出现问题,因为升温的NTC热敏电阻具有极低的电阻值,几乎没有限流能力。这种状况的补救措施为通过使用继电器或晶闸管将NTC热敏电阻旁通。在通电几秒后就可以执行旁通动作,因为此时大部分负载已经在额定电流下工作。旁通方式使电路无需加热NTC热敏电阻。图4显示了对浪涌电流抑制器进行控制的时间控制旁通电路。

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图 4:

对浪涌电流抑制器进行控制的时间控制旁通电路

旁通电路的响应时间由时间常数R1和C1以及齐纳二极管的值决定。在示例电路中,继电器在约3或4秒后响应 – 具体取决于元件的参数偏差。在所用的继电器上(24 VDC, 8 AAC),线圈的保持电压为约0.5 UN。由于C2的充电电流,继电器将做出响应,并且在C2充电完成后,继电器将在一半的额定电压下工作,从而将所需的电流减半。特别地,如果负载具有较高的额定电流,那么此电路的功率需求会小于持续电流流经NTC热敏电阻导致的功率损失。

采用PTC热敏电阻实现可靠的电容器充电

直流支撑电路中的大容量电容器和电容器组意味着在电路通电时会出现瞬时短路。为了实现可靠的电流抑制效果,应使用正温度系数 (PTC) 热敏电阻而非固定电阻。大电流会导致PTC热敏电阻升温而升温将导致PTC热敏电阻的电阻值极具升高(NTC热敏电阻则相反),从而达到本质安全的效果。这种特性的优势在于,当直流电路短路时,电流将被限制在无害的水平,这是固定电阻无法提供的功能。图5显示了一个三相系统整流的直流电路,它采用PTC热敏电阻限制充电电流,这种电路常用于变频器等产品。

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图 5:

采用PTC热敏电阻限制充电电流的直流支撑电路

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采用外壳封装及标准圆盘设计的PTC热敏电阻

对于直流支撑电路,TDK公司提供了一系列特殊的PTC热敏电阻,它们的电压范围为260 V DC至560 V DC,常温阻值范围为22Ω至1100Ω,具体参数取决于产品类型。这些产品均获得了UL、IECQ及VDE认证,且符合AEC-Q200标准要求。

特别地,当存在较大的电容器组时,注意不能超过PTC热敏电阻的最大热容及最大允许温度。通过并联多个PTC浪涌电流抑制器可实现必要的热容。所需的最少元件数量由以下公式计算:

[---Image_alt---] Formula
其中:
n所需的PTC元件数量
k系数取决于电源(对于直流电源,k = 1;对于3相整流器,k = 0.96;对于半波整流器,k = 0.76)
C直流电容器的电容值,单位为F
V电容器的最大充电电压,单位为V
CthPTC热敏电阻的热容
TRef所用的PTC热敏电阻的参考温度
TAmax最大环境温度

在正常工作状况下,为了不产生任何功率损失,在直流电容器充电完成后必须将PTC浪涌电流抑制器或多个并联的PTC浪涌电流抑制器旁通连接。然而,如果直流支撑电路中存在短路(可能由损坏的电容器导致),那么必须不能将其旁通。因此,对于旁通电路而言,最重要的参数为直流电压。在充电后,如果电压达到设定值,那么不会出现故障;相反,如果电压在极低的水平保持很长时间,那么存在短路状况。因此,只需简单地使用比较器电路就能够在直流支撑电路充电完成后将PTC热敏电阻旁通(图6)。

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图 6:

PTC热敏电阻的电压控制旁通电路

功能说明:通过齐纳二极管ZPD3.9控制比较器的反相输入。只要施加在非反相输入端的电压小于3.9 V,那么输出端的电压几乎为0 V,T1将切断继电器。只有当通过分压器R1/R2向R2施加的电压值大于3.9 V时,输出端的比较器才能够跳至正电势状态,同时T1将驱动继电器动作,导致PTC热敏电阻被旁通。分压器R1/R2的选择应能够使继电器在大约80%额定直流电压状态下动作。由于直流电路电压可高达数百伏,所以R1和R2必须使用高阻抗型电阻器。例如,在额定电压为500 V DC的直流支撑电路中,80%的额定电压为400 V DC。在此电压点,R1的值约为990 kΩ,R2的值约为10 kΩ。压敏电阻和齐纳二极管ZPD12用于保护比较器正相输入端不发生过压。

组合优势

特别地,对于具有大直流电容的大功率负载,例如工业电源和变频器中的电路,建议将NTC和PTC浪涌电流抑制器的优点和功能结合在一起。

显然,此时可采用电压控制接通时间,同时控制旁通电源输入侧的NTC热敏电阻。为此,电路中需要一个带有两个切换触点的继电器,如图6所示。图7显示了完整的电路,其中NTC和PTC热敏电阻可同时接通和断开。此外,电路中还集成了一个LED指示灯,用于指示跨接未被执行。

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图 7:

电压控制的NTC与PTC浪涌电流抑制器组合

这种组合式电流限制器的优点是可以保护元件,避免电源侧或设备内部熔丝意外跳闸,并能够在直流支撑电容短路时可靠地切断电流。