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首选解决方案。使用NTC(负温度系数)热敏电阻时,电阻随温度升高而减小。在PTC(正温度系数)热敏电阻中,电阻随温度升高而增大。当超过特定温度时,PTC热敏电阻的电阻会急剧上升,因此适合用作温度极限传感器。另一方面,NTC热敏电阻表现出更大的线性,因此适用于温度测量。

需要限制浪涌电流,以防止电流超过临界水平并熔断保险丝或损坏整流器。

因此,NTC热敏电阻并不总是用作浪涌电流限制器(ICL)的理想解决方案,尤其是在电源中。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。

当有苛刻的温度和功率条件时,PTC热敏电阻提供更一致和可靠的保护,防止浪涌电流浪涌和短路,同时提供精确的温度控制和测量。

当电气设备、逆变器或电源激活并打开时,会遇到高电流,并且可能出现电流尖峰。不成比例的涌入电流会损坏和破坏电源部件,包括整流器、保险丝和从该电源接收电流的其他部件。因此,需要采取保护措施来防范此类问题。

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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。

无源励磁涌流限制

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热敏电阻在冷态时为高欧姆,在热态时为低欧姆,因此NTC ICL的高初始电阻在冷态时吸收峰值涌入电流。然而,ICL的电阻随后下降到室温下其值的百分之几,这降低了连续运行中浪涌电流限制器的功耗。这就是为什么NTC ICL可能在电容器完全充电后留在电路中的原因。

一旦额定功率接近500瓦,无源电路解决方案的效率就会降低,其弱点也会更加明显。考虑到电源设计越来越注重尽可能消除电源损耗,无源ICL在这些应用中不是理想的解决方案。这是因为它们总是与负载串联,因此会导致太多的功率损耗。设备的额定功率越高,其典型运行时间越长,寄生功率损耗越大。

例如,NTC ICL可产生设备总功率的百分之一的功率损耗。如果电源具有92%的额定效率,则12.5%的功率损耗是NTC ICL直接造成的。

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。

虽然在功率额定值高于500瓦的应用中,主动励磁涌流限制的优势最大,但可能需要主动励磁涌流限制来帮助提高功率水平较低应用的性能。最重要的考虑因素是成本是否值得。例如,尽管有源励磁涌流限制的总体系统成本可能略高于无励磁涌流限制,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部件。

使用PTC热敏电阻限制浪涌电流

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的电阻取决于其开始接收电源时的环境温度。当环境温度较低时,NTC热敏电阻的电阻较高,由于充电电流较低,导致充电时间较长。相反,较高的环境温度会导致NTC ICL处于低欧姆状态,从而限制其抑制涌入电流的能力。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引起的工作温度范围较宽的应用中使用NTC ICL可能会有问题。

此外,NTC ICL必须完全冷却,然后才能再次限制充电电流。NTC热敏电阻停止供电后的典型冷却时间为30至120秒,但也受环境温度和安装方法的影响。在许多应用中,冷却时间足够快,但在NTC冷却到足以工作之前,需要限制浪涌电流。这是在直流链路电容器可以快速主动放电的应用中的情况,例如,在逆变器驱动的家用电器中,如现代洗衣机和干衣机。短时间停电后,必要的冷却时间也很关键。

因此,主动浪涌电流限制设计必须考虑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热敏电阻提供有效的浪涌电流限制解决方案。在典型工作条件下,PTC ICL起欧姆电阻器的作用。

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。

此外,如果充电电路出现故障,PTC热敏电阻可以保护电路。当电流流过PTC热敏电阻时,它加热,电阻增大,使其具有自我保护功能,并为其他形式的浪涌电流限制提供了显著优势。由于这些特性,PTC热敏电阻在电容器短路或开关元件故障导致直流链路电容器充电后限流元件无法旁路的应用中更为理想。然而,这两种失效模式都会对限流装置产生热应力。

有两种方法可以防止ICL部件在此类事件中受损。最理想的方法是使用PTC热敏电阻器,而第二种方法是使用另一个具有足够额定功率的功率电阻器来考虑这些浪涌。虽然第二种可能并不总是实用的,但PTC ICL的设计可确保即使在其最大额定电压下也能直接连接到电源电压,这使其适用于几乎所有可能存在问题的应用。

在短路导致电流过大的情况下,PTC温度升高,进而导致设备电阻显著升高。因此,PTC热敏电阻本身将电流限制在非临界水平。

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功能不受极端工作温度的影响。
*有效的励磁涌流限制一旦负载关闭,在正常运行期间,冷却已经发生。
*它们能够自我保护,防止电路故障引起的电流过载。

PTC热敏电阻在其额定温度下的电阻仅为几欧姆。如果电流中存在浪涌,则其功耗会增加,热敏电阻会加热,导致电阻增加,从而限制电流。只有当部件冷却后,才会恢复到低电阻状态。这种特性使PTC热敏电阻成为大多数应用中理想的限流器。

PTC ICLs能够在苛刻的温度条件下可靠地保护大多数电源免受高涌入电流和短路的影响。


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