當(dāng)保險(xiǎn)絲和組件接通時(shí)，高功率負(fù)載是一個(gè)主要的應(yīng)力因素，因?yàn)樗鼈儠?huì)產(chǎn)生非常高的電流。為了避免這種情況，TDK 提供了基于NTC 和 PTC 熱敏電阻的陶瓷愛(ài)普科斯 (EPCOS) 浪涌電流限制器 (ICL) ——組合使用時(shí)的強(qiáng)大組合。

當(dāng)電源、變頻器或車載充電器等高功率負(fù)載通電時(shí)，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生數(shù)倍于額定電流的電流。這可能會(huì)導(dǎo)致不良影響，例如保險(xiǎn)絲跳閘，甚至損壞系統(tǒng)。

特別是，有兩種類型的負(fù)載會(huì)產(chǎn)生高浪涌電流：第一種類型包括電機(jī)和變壓器等感性負(fù)載，它們需要非常高的電流才能產(chǎn)生磁場(chǎng)。第二組由直流鏈路中的高電容電容器組成，它們?cè)谶B接時(shí)產(chǎn)生非常高的充電電流，這對(duì)電容器本身以及整流器來(lái)說(shuō)是一個(gè)相當(dāng)大的應(yīng)力因素。

圖 1 顯示了使用和不使用浪涌電流限制器 (ICL) 時(shí)的電流。

圖 1. 沒(méi)有浪涌電流限制（紅色）和有浪涌電流限制（綠色）的整流器中的電流。

最簡(jiǎn)單的方法是使用低歐姆功率電阻器來(lái)限制浪涌電流。然而，這確實(shí)有一個(gè)缺點(diǎn)，即在正常模式下，這些電阻器上會(huì)出現(xiàn)不容忽視的功率損耗。一個(gè)更好的解決方案是使用熱敏電阻作為 ICL。 NTC 或 PTC 熱敏電阻具有不同的熱特性，因此提供不同的使用可能性，用于此目的。

充分利用這些組件的所有優(yōu)勢(shì)的一種方法是將它們組合使用。首先，讓我們看一下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，其阻值隨著溫度升高而下降。在室溫 (25°C) 下，它們表現(xiàn)出特定的電阻值 (R25)，可限制浪涌電流。當(dāng)電流繼續(xù)流過(guò)組件時(shí)，它會(huì)升溫，電阻會(huì)降至非常低的值，根據(jù)類型的不同，該值可能遠(yuǎn)低于 1 歐姆。額定電流下的損耗相應(yīng)較低。

圖 2 顯示了各種 NTC ICL 相對(duì)于溫度的典型電阻特性曲線。

圖 2a。愛(ài)普科斯 (EPCOS) NTC ICL 的典型特性曲線。 

圖 2b。 NTC浪涌電流限制器，啟動(dòng)電阻R25為10Ω。

NTC ICL 的選擇標(biāo)準(zhǔn)

確定合適的 NTC 熱敏電阻的兩個(gè)最重要的標(biāo)準(zhǔn)是初始電阻 (R25) 和最大電流。首先，確定所需的R25。它必須選擇足夠高，以便通過(guò)將其與負(fù)載串聯(lián)，將電流限制在不會(huì)導(dǎo)致保險(xiǎn)絲跳閘的值，并且不會(huì)損壞負(fù)載的組件（例如整流器）。

圖 3. NTC ICL 的典型降額特性。

第二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是Imax，它由負(fù)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(gè)典型示例。

TDK 提供各種 R25 介于 0.5 Ω 至 33 Ω 之間、允許電流為 1.3 A 至 30 A 的 NTC 熱敏電阻。

使用 ICL 時(shí)，應(yīng)確保大約 90 秒的冷卻時(shí)間（具體取決于類型），這在負(fù)載頻繁短時(shí)間開(kāi)關(guān)的情況下可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，因?yàn)轭A(yù)熱的 NTC 熱敏電阻的歐姆值非常低因此幾乎不提供電流限制。

這里提供了一種補(bǔ)救措施，即使用繼電器或晶閘管繞過(guò) NTC 熱敏電阻。這可以在接通后幾秒鐘內(nèi)發(fā)生，因?yàn)榇蠖鄶?shù)負(fù)載此時(shí)已經(jīng)以額定電流運(yùn)行。由于有旁路，NTC 熱敏電阻不會(huì)升溫。

圖 4 顯示了 ICL 的時(shí)間控制旁路電路。

圖 4. ICL 的時(shí)間控制旁路電路。

旁路電路的響應(yīng)時(shí)間由R1和C1的時(shí)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)——具體取決于組件的容差。

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工作，這使得電流需求減半。特別是如果負(fù)載具有高額定電流，則該電路的功率需求小于連續(xù)電流流過(guò)NTC熱敏電阻所造成的損耗。

圖 5. 通過(guò) PTC 熱敏電阻限制充電電流的直流母線電路。

圖 6. 采用封裝式和標(biāo)準(zhǔn)盤式設(shè)計(jì)的 PTC 熱敏電阻。

通過(guò) PTC 熱敏電阻對(duì)電容器進(jìn)行可靠充電

直流母線電路中的高電容電容器和電容器組在接通時(shí)表現(xiàn)為短路。為了在這里實(shí)現(xiàn)可靠的限流，應(yīng)使用PTC熱敏電阻代替固定電阻。

高電流導(dǎo)致這些元件升溫，并且與 NTC 熱敏電阻相反，變得高歐姆，這使得它們具有本質(zhì)安全性。這種行為的優(yōu)點(diǎn)是，在直流鏈路短路的情況下，電流被限制在無(wú)害的值，這是固定電阻器無(wú)法提供的。圖 5 顯示了帶有 PTC 熱敏電阻的三相系統(tǒng)的直流鏈路電路，該系統(tǒng)例如用于變頻器。

對(duì)于直流母線電路，TDK 提供一系列特殊 PTC 熱敏電阻，設(shè)計(jì)用于 260 V DC 和 560 V DC 之間的電壓，在 25 °C 時(shí)提供 22 Ω 到 1100 Ω 之間的電阻，并且根據(jù)其類型，具有合規(guī)認(rèn)證通過(guò) UL、IECQ 和 VDE 認(rèn)證，并符合 AEC-Q200 標(biāo)準(zhǔn)。

特別是在電容器組較大的情況下，應(yīng)注意不要超過(guò) PTC 熱敏電阻的最大熱容和最大允許溫度。通過(guò)并聯(lián) PTC ICL 可以實(shí)現(xiàn)必要的熱容。所需的最小組件數(shù)量計(jì)算如下：

在哪里：

• n – 所需 PTC 元件的數(shù)量
• k – 系數(shù)取決于電源（對(duì)于直流，k = 1；對(duì)于三相整流器，k=0.96；對(duì)于單相整流器，k = 0.76）
• C – F 中直流母線電容器的電容
• V – 電容器的最大充電電壓，單位為 V
• Cth – PTC 熱敏電阻的熱電容
• TRef – 所用 PTC 熱敏電阻的參考溫度
• TAmax – 最高環(huán)境溫度

在正常操作中，在對(duì)直流母線電容器充電后，必須將 PTC ICL 或并聯(lián)的多個(gè) PTC ICL 旁路，以免產(chǎn)生任何功率損耗。但是，如果直流鏈路中存在短路（可能是由損壞的電容器引起的），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(dá)到設(shè)定值，則沒(méi)有故障；另一方面，如果它在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持在非常低的值，則存在短路。這樣可以輕松實(shí)現(xiàn)比較器電路，該電路僅在直流鏈路充電后繞過(guò) PTC 熱敏電阻（圖 7）。

圖 7. PTC 熱敏電阻的電壓控制旁路。

功能說(shuō)明： 比較器的反相輸入由齊納二極管 ZPD3.9 控制。只要向同相輸入施加小于 3.9V 的電壓，輸出端就會(huì)出現(xiàn)幾乎為 0V 的電壓，并且 T1 會(huì)阻塞繼電器。

僅當(dāng)通過(guò)分壓器 R1/R2 至 R2 施加超過(guò) 3.9 V 的電壓時(shí)，輸出端的比較器才會(huì)跳至正電位，并且 T1 會(huì)切換繼電器，導(dǎo)致 PTC 熱敏電阻被旁路。分壓器 R1/R2 的尺寸應(yīng)確保繼電器在額定直流母線電壓的 80% 左右進(jìn)行切換。

由于直流母線電壓可能高達(dá)數(shù)百伏，因此 R1 和 R2 必須使用高阻抗類型。例如，額定直流母線電壓為 500 V DC 時(shí)，在 400 V DC 時(shí)達(dá)到 80% 的值。此時(shí)，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(hù)比較器的同相輸入免受過(guò)壓影響。

圖 8. NTC 和 PTC 浪涌電流限制器的電壓控制組合。

結(jié)合優(yōu)勢(shì)

特別是在具有高直流母線電容的大功率負(fù)載（例如工業(yè)電源和轉(zhuǎn)換器中的負(fù)載）的情況下，建議結(jié)合 NTC 和 PTC 浪涌電流限制器的優(yōu)點(diǎn)和功能。

因此，明智的做法是使用此處描述的電壓控制導(dǎo)通時(shí)間來(lái)繞過(guò)電源輸入側(cè)的 NTC 熱敏電阻。為此，圖 7 所示的電路中需要一個(gè)具有兩個(gè)轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)的繼電器。圖 8 顯示了完整的電路，其中 NTC 和 PTC 熱敏電阻同時(shí)切換。此外，還集成了一個(gè) LED，用于指示尚未應(yīng)用跳線。

這種組合浪涌電流限制的優(yōu)點(diǎn)是保護(hù)組件、避免電源側(cè)或設(shè)備內(nèi)部保險(xiǎn)絲意外跳閘，以及在直流鏈路短路時(shí)提供可靠的電流限制。