电子产品与技术

励磁涌流限制技术及解决方案

2017年8月21日,TDK集团公司EPCOS压电和保护装置产品营销总监Sonja Brown

热敏电阻通常是检测温度极限的解决方案。对于NTC(负温度系数)热敏电阻,其电阻随温度升高而减小。在PTC(正温度系数)热敏电阻中,电阻随着温度的升高而增大。当超过某一特定温度时,PTC热敏电阻的电阻急剧上升,使其适合作为温度限制传感器。另一方面,NTC热敏电阻表现出更大的线性度,因此适合于温度测量。

为了防止电流超过临界水平和熔断器或整流器的损坏,需要限制涌流。

因此,NTC热敏电阻并不总是用作涌流限制器(ICLs)的理想解决方案,特别是在电源中。由于其特性电阻曲线,PTC热敏电阻在热监测和电流限制器中有多种用途。

当有苛刻的温度和电源条件时,PTC热敏电阻提供更一致和可靠的保护,防止浪涌电流和短路,同时提供准确的温度控制和测量。

当电气设备、逆变器或电源被激活并打开时,会遇到大电流,可能会出现电流尖峰。不成比例的涌流会损坏和破坏电源组件,包括整流器、保险丝和其他接收电源电流的组件。因此,需要采取保护措施来防范这些问题。

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在有源浪涌电流限制中,欧姆电阻器、NTC热敏电阻器或PTC热敏电阻器可用作ICL元件。

大多数工程师通常采用两种方法之一来限制此问题。首先,它们可以使用浪涌电流限制保护装置(无源ICL电路)。其次,它们可以使用有源旁路电路,在任何浪涌电流峰值减弱后激活(有源ICL电路)。决定采用哪种限流方法取决于变量,包括额定功率、设备可能暴露于涌流的频率、工作温度范围和系统成本要求。

无源涌流限制

无源ICL有几个局限性——特别是在功率额定值仅为几瓦的非常小的电源中。在这种情况下,最简单的解决方案是添加一个与负载串联的欧姆电阻器,但是,固定电阻的功率损耗会显著降低具有更高额定功率的电源的整体效率。因此,NTC热敏电阻已成为标准ICL解决方案,其中无源电流限制需要高达约500瓦。

由于NTC热敏电阻在冷态时是高欧姆,在热态时是低欧姆,NTC ICL的高初始电阻在冷态时吸收峰值涌入电流。然而,ICL的电阻随后下降到其在室温下的值的几个百分点,这降低了连续运行的励磁电流限制器的功耗。这就是为什么NTC icl在电容器完全充电后可能留在电路中。

一旦额定功率接近500瓦,无源电路解决方案的有效性就会降低,其缺点也会更加明显地显现出来。考虑到电源设计越来越注重尽可能地消除功耗损失,无源icl在这些应用中并不是理想的解决方案。这是因为它们总是与负载串联,从而导致太多的功率损耗。器件的额定功率越高,其典型运行时间越长,寄生功率损耗就越严重。

例如,NTC ICL可能产生的功率损失为设备总功率的1%。如果电源有92%的效率评级,那么12.5%的功率损失是NTC ICL的直接结果。

有源励磁涌流限制

在功率水平超过500瓦的应用中,标准方法是在浪涌电流峰值衰减后使用继电器或双向晶闸管绕过ICL。在此类应用中,有源浪涌电流限制电路可根据各种要求使用诸如NTC热敏电阻或PTC热敏电阻之类的功率电阻器作为ICL元件。例如,PTC热敏电阻通常用于额定功率仅为几千瓦的插入式车辆(纯电动和混合动力)的车载充电器中。

虽然有源励磁涌流限制在功率额定值高于500瓦的应用程序中具有最大优势,但对于功率较低的应用程序,可能需要有源励磁涌流限制来帮助提高性能。最重要的考虑是成本是否值得结果。例如,尽管有源励磁涌流限制的整体系统成本可能略高于没有励磁涌流限制的系统成本,但由于额定功率较低,降低的功率损耗可能允许使用较便宜的开关或其他组件。

采用PTC热敏电阻进行涌流限制

如前所述,PTC热敏电阻在许多应用中可以表现得比ICL更好。
例如,NTC ICL的电阻取决于它开始接收电源时的环境温度。当环境温度较低时,NTC热敏电阻电阻较大,充电电流较小,充电时间较长。相反,较高的环境温度会使NTC ICL处于低欧姆状态,限制了其抑制涌流的能力。由于这种温度依赖性,在由太阳、摩擦或其他影响环境温度的因素造成的工作温度范围很宽的应用中使用NTC ICLs可能会有问题。

此外,NTC ICL必须完全冷却,才能再次限制充电电流。NTC热敏电阻的典型冷却时间为停止接收电源后的30 - 120秒,但也受环境温度和安装方法的影响。在许多应用中,冷却周期足够快,但在NTC冷却到足以工作之前需要限制涌流。这种情况适用于直流链路电容的快速有源放电,例如,在逆变器驱动的家用电器,如现代洗衣机和烘干机。在短暂断电后,必要的冷却时间也是至关重要的。

因此,有源浪涌电流限制设计必须考虑到NTC ICL处于低欧姆状态时可能发生浪涌的所有可能情况。或者,PTC热敏电阻提供了一个有效的涌流限制解决方案。在典型的工作条件下,PTC ICL起欧姆电阻的作用。

当系统开始通电且部件温度与环境温度相同时,PTC ICL的电阻通常在20至500欧姆之间。这足以限制浪涌电流。一旦直流链路电容器充电合格,PTC ICL被旁路。

另外,当充电电路出现故障时,PTC热敏电阻可以保护电路。当电流流过PTC热敏电阻时,它会升温,电阻增加,使其具有自我保护功能,并对其他形式的涌流限制具有显著的优势。由于这些特性,PTC热敏电阻在电容器短路或开关元件失效导致直流链路电容器充电后限流元件不能旁路的应用中表现更好。然而,这两种失效模式都会对限流器产生热应力。

有两种方法可以在此类事件中保护ICL组件免受损坏。最理想的是使用PTC热敏电阻,而第二种是实现另一个功率电阻,具有足够的功率额定值,以考虑这些电涌。虽然第二种可能并不总是实际的,PTC icl的设计是生存直接连接到电源电压,即使在他们的最大额定电压,这使他们适用于几乎每一个应用,这可能是一个问题。

在短路导致电流过大的情况下,PTC的温度增加,从而导致设备的电阻显著增加。因此,PTC热敏电阻本身限制电流到不临界水平。

而且,由于这些PTC ICL具有自我保护功能,因此不需要额外的电流限制,因此降低了系统成本。

TDK的EPCOS PTC热敏电阻组合特别适合浪涌电流限制。与PTC热敏电阻器相比,它们使用更均匀的陶瓷材料,这在允许通过回流焊接进行加工的同时提高了可靠性。由于这些特性,PTC即使在最坚固的电子应用中也能满足严格的要求。

结论:

PTC热敏电阻用作主动浪涌电流限制的ICL元件时,具有以下主要优点:

*其ICL功能不受极端操作温度的影响。
*有效的涌流限制,一旦负荷关闭,冷却已经在正常运行。
*能自我保护,防止电路故障引起的电流过载。

PTC热敏电阻被设计成在额定温度下只有几个欧姆的极低电阻。如果电流中有浪涌,它们的功率耗散增加,热敏电阻升温,导致电阻增加,从而限制了电流。只有当组件冷却后,它才会回到低电阻状态。这种特性使PTC热敏电阻在大多数应用中成为理想的电流限制器。

PTC ICLs可以可靠地保护大多数电源免受高励磁电流和苛刻温度条件下的短路。


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