將電流控制與浪涌電流限制器相結(jié)合

出處：維庫(kù)電子市場(chǎng)網(wǎng) 發(fā)布于：2025-03-28 16:45:35 | 121 次閱讀

　　當(dāng)保險(xiǎn)絲和元件接通時(shí)，高功率負(fù)載是一個(gè)主要的壓力因素，因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致非常高的電流流過(guò)。為避免這種情況，TDK 提供了基于 NTC 和 PTC 熱敏電阻的陶瓷 EPCOS 浪涌電流限制器（ICL），當(dāng)組合使用時(shí)，這是一個(gè)強(qiáng)大的組合。
　　當(dāng)電源、變頻器或車(chē)載充電器等大功率負(fù)載通電時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)會(huì)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)。

　　特別是兩種類(lèi)型的負(fù)載，會(huì)導(dǎo)致高浪涌電流：第一種類(lèi)型包括感應(yīng)負(fù)載，例如電機(jī)和變壓器，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)都是一個(gè)相當(dāng)大的應(yīng)力因數(shù)。

　　圖 1 顯示了帶和不帶浪涌電流限制器（ICL）的電流。
　　無(wú)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。
　　圖 1.無(wú)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 resistor 上會(huì)發(fā)生功率損耗，這一點(diǎn)不容忽視。一個(gè)更好的解決方案是將熱敏電阻用作 ICL。NTC 或 PTC 熱敏電阻具有不同的熱特性，因此提供了不同的使用可能性。
　　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，讓我們看看 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，其電阻會(huì)隨著溫度的升高而下降。在室溫（25°C）下，它們表現(xiàn)出特定的電阻值（R25），從而限制浪涌電流。當(dāng)電流繼續(xù)流過(guò)元件時(shí)，它會(huì)發(fā)熱，電阻下降到非常低的值，根據(jù)類(lèi)型，該值可能明顯低于 1 歐姆。額定電流下的損耗相應(yīng)地很低。

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

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

　　NTC 浪涌電流限制器，啟動(dòng)電阻 R25 為 10 Ω。

　　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。它必須選擇得足夠高，以便通過(guò)與負(fù)載串聯(lián)，將電流限制在尚未導(dǎo)致保險(xiǎn)絲跳閘的值，并且不會(huì)損壞負(fù)載組件，例如整流器。

　　NTC ICL 的典型降額特性。

　　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)典型的示例。
　　TDK 提供各種 NTC 熱敏電阻，R25 介于 0.5 Ω 和 33 Ω之間，允許電流為 1.3 A 至 30 A。
　　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(lèi)型，這在負(fù)載頻繁短間隔接通和關(guān)閉的情況下可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，因?yàn)轭A(yù)熱的 NTC 熱敏電阻的歐姆非常低，因此幾乎沒(méi)有電流限制。
　　這里提供了一種補(bǔ)救措施，即使用繼電器或晶閘管旁路 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)載已經(jīng)以額定電流運(yùn)行。由于采用了旁路，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。

　　用于 ICL 的時(shí)間控制旁路電路。
　　圖 4.用于 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) - 具體取決于組件的公差。
　　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運(yùn)行，從而將電流需求減半。特別是當(dāng)負(fù)載具有高額定電流時(shí)，該電路的功率需求小于通過(guò) NTC 熱敏電阻的連續(xù)電流引起的損耗。

　　通過(guò) PTC 熱敏電阻限制充電電流的直流鏈路電路。

　　圖 5.通過(guò) PTC 熱敏電阻限制充電電流的直流鏈路電路。

　　PTC 熱敏電阻采用封裝和標(biāo)準(zhǔn)圓盤(pán)設(shè)計(jì)。

　　圖 6.PTC 熱敏電阻采用封裝和標(biāo)準(zhǔn)圓盤(pán)設(shè)計(jì)。
　　通過(guò) PTC 熱敏電阻實(shí)現(xiàn)可靠的電容器充電
　　直流鏈路電路中的高電容電容器和電容器組代表在接通時(shí)短路。為了實(shí)現(xiàn)可靠的電流限制，應(yīng)使用 PTC 熱敏電阻而不是固定電阻器。
　　大電流會(huì)導(dǎo)致這些元件發(fā)熱，并與 NTC 熱敏電阻相反，變得高電阻，這使得它們具有本質(zhì)安全性。這種行為的優(yōu)點(diǎn)是，在 DC 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)的直流母線電路，例如，用于變頻器。
　　對(duì)于直流母線電路，TDK 提供一系列專(zhuān)用 PTC 熱敏電阻，這些熱敏電阻設(shè)計(jì)用于 260 V DC 至 560 V DC 的電壓，在 25 °C 時(shí)提供 22 Ω 至 1100 Ω 的電阻，并且根據(jù)其類(lèi)型，具有符合 UL、IECQ 和 VDE 的認(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高允許溫度。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)計(jì)算如下：

　　哪里：
　　n – 所需的 PTC 元件數(shù)量
　　k – 系數(shù)取決于電源（直流時(shí) k = 1;三相整流器為 k=0.96;單相整流器為 k = 0.76）
　　C – 直流鏈路電容器的電容，單位為 F
　　V – 電容器的最大充電電壓，單位為 V
　　Cth – PTC 熱敏電阻的熱容
　　TRef – 所用 PTC 熱敏電阻的參考溫度
　　TAmax – 最高環(huán)境溫度
　　在正常工作期間，PTC ICL 或并聯(lián)的多個(gè) PTC ICL 必須在對(duì) DC Link 電容器進(jìn)行充電后旁路，以免產(chǎn)生任何功率損耗。但是，如果直流鏈路發(fā)生短路 - 可能是由電容器損壞引起的，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)保持非常低的值，則存在短路。這使得比較器電路可以毫不費(fèi)力地實(shí)現(xiàn)，只有在對(duì)直流鏈路充電后才能繞過(guò) PTC 熱敏電阻（圖 7）。

　　用于 PTC 熱敏電阻的電壓控制旁路。
　　圖 7.用于 PTC 熱敏電阻的電壓控制旁路。
　　功能說(shuō)明：比較器的反相輸入通過(guò)齊納二極管 ZPD3.9 控制。只要將小于 3.9 V 的電壓施加到同相輸入端，輸出端就會(huì)出現(xiàn)接近 0 V 的電壓，T1 會(huì)阻塞繼電器。
　　只有當(dāng)通過(guò)分壓器 R1/R2 到 R2 施加超過(guò) 3.9 V 的電壓時(shí)，輸出上的比較器才會(huì)跳閘到正電位，而 T1 會(huì)切換繼電器，從而導(dǎo)致 PTC 熱敏電阻被旁路。分壓器 R1/R2 的尺寸應(yīng)使繼電器在額定直流母線電壓的 80% 左右進(jìn)行切換。
　　由于直流鏈路電壓可能為數(shù)百伏，因此 R1 和 R2 必須使用高阻抗類(lèi)型。例如，當(dāng)額定直流母線電壓為 500 V DC 時(shí)，400 V DC 時(shí)達(dá)到 80%。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)電壓的影響。

　　NTC 和 PTC 浪涌電流限制器的電壓控制組合。

　　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鏈路電容的大功率負(fù)載（例如工業(yè)電源和轉(zhuǎn)換器中的負(fù)載）的情況下，建議將 NTC 和 PTC 浪涌電流限制器的優(yōu)點(diǎn)和功能結(jié)合起來(lái)。
　　因此，使用此處描述的電壓控制導(dǎo)通時(shí)間也用于旁路電源輸入側(cè)的 NTC 熱敏電阻是明智的。為此，在圖 7 所示的電路中需要一個(gè)帶有兩個(gè)轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)的繼電器。然后，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，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)可靠地限制電流。

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