CN101594046B - 突入电流限制器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种在电源供应器中的突入电流限制器，其包含一电阻、一场效应晶体管与一栅极驱动器。在电源供应器的开机瞬间，该栅极驱动器未开启该场效应晶体管使得突入电流流经该电阻且被该电阻限制至一安全值。于电源供应器的稳态，该栅极驱动器已开启该场效应晶体管使得稳态电流流经该场效应晶体管且功率散逸被该场效应晶体管降低至一微小值。

Description

突入电流限制器

技术领域

本发明揭示一种在电源供应器中的突入电流限制器，其利用一电阻以限制突入电流以及一场效应晶体管以导通稳态电流。

背景技术

在电源供应器的开机瞬间，涌入电源供应器的电流称为突入电流(inrushcurrent)。为保护电源供应器免被突入电流损害，突入电流限制器(inrush currentlimiter)通常用以限制突入电流至一安全值。

现有的以热敏电阻(thermistor)实施的高压侧突入电流限制器(high-sideinrush current limiter)与低压侧突入电流限制器(low-side inrush currentlimiter)的电路图分别示于图1a与图1b，其中桥式整流器BD用以将交流弦波输入电压整流成直流弦波输入电压；具有一负温度系数(negative temperaturecoefficient)的热敏电阻R_T，其在低温下具有一高电阻值且在高温下具有一低电阻值，用以限制突入电流；功率因素修正器(power factor corrector)PFC用以提高电源供应器的功率因素(power factor)；(*)用以表示PFC存在或不存在；电容C_E，通常为电解电容(electrolytic capacitor)，用以提供直流/直流转换器(dc/dc converter)DDC的输入电压。

在电力线上(power lines)的复数功率(complex power)S可被表示为：S＝P+jQ

其中P为实功率(real power)且Q为虚功率(imaginary power)。PFC可被用以降低Q使得S趋近于P。依据电源供应器的能源法规：当P＜75W，PFC非必须存在；当P＞＝75W，PFC必须存在。

假设在该电源供应器的开机瞬间C_E的最初电压(initial voltage)为0，则最大波峰突入电流(maximum peak inrush current)

可被估计为：

${\hat{I}}_{\mathrm{inrush},\max }=\frac{{\hat{V}}_{\mathrm{in},\max }}{R_{\mathrm{initial}}}$

其中

为最大波峰输入电压(maximum peak input voltage)且R_initial为R_T的最初电阻值(initial resistance)。

于该电源供应器的稳态R_T的功率散逸(power dissipation)P_d可被估计为：

$P_d=I_{\mathrm{ss},\mathrm{rms}}^2{R}_{\mathrm{final}}$

其中I_ss，rms为有效稳态电流(root-mean-squared steady state current)且R_final为R_T的最终电阻值(final resistance)。

从上述两方程式，可清楚看出：对理想热敏电阻而言，R_initial就而论应尽可能高但R_final就P_d而论应尽可能低。然而，实际热敏电阻无法同时满足对理想热敏电阻的此二需求。亦即，实际热敏电阻无法同时降低突入电流与降低功率散逸。更糟的是，R_initial随温度的升高而降低将造成

随温度的升高而升高。换言之，若电源供应器在高温下开机，则热敏电阻无法充分发挥突入电流限制器的功能。

发明内容

本发明揭示一种在电源供应器中的突入电流限制器，其包含一电阻、一场效应晶体管与一栅极驱动器，其中电阻连接于该晶体管的受电端与释电端间，栅极驱动器连接于该场效应晶体管的栅极与释电端间。

在电源供应器的开机瞬间，栅极驱动器尚未开启晶体管使得电阻限制突入电流至一安全值。

于电源供应器的稳态，栅极驱动器已开启晶体管使得晶体管导通稳态电流以降低功率散逸至一微小值。

附图说明

图1a与图1b分别表示现有的以热敏电阻实施的高压侧突入电流限制器与低压侧突入电流限制器的电路图。

图2a与图2b分别表示本发明所揭示的高压侧突入电流限制器与低压侧突入电流限制器的基本电路图。

图3a与图3b分别表示本发明所揭示的高压侧突入电流限制器与低压侧突入电流限制器的应用于逆向式转换器。

图4a与图4b分别表示本发明所揭示的高压侧突入电流限制器与低压侧突入电流限制器的应用于顺向式转换器。

图5a与图5b分别表示本发明所揭示的高压侧突入电流限制器与低压侧突入电流限制器的应用于功率因素修正器。

具体实施方式

本发明所揭示的高压侧突入电流限制器与低压侧突入电流限制器的基本电路图分别示于图2a与图2b，限流电阻R_L连接于N信道金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET)M_C的受电端(漏极)与释电端(源极)间，栅极驱动器100连接于M_C的栅极与源极间。栅极驱动器包含晶体管Q，其连接M_C的栅极与源极，实施例以PNP双极晶体管实作Q。第二电容C₂的正极与负极分别连接Q的发射极与集电极。第一二极管D₁的阳极与阴极分别连接至Q的基极与发射极，第一电阻R₁连接Q的集电极与基极。第一电容C₁的负极与正极分别连接驱动线圈N_D的一端与Q的的基极，驱动线圈N_D的另一端连接第二二极管D₂的阳极，连接第二二极管D₂的阴极连接C₁的正极。第二电阻R₂跨接Q的基极与C₁的正极间。应用于高压侧转换器，如第2a图，驱动线圈N_D的第一端连接M_C的的源极；应用于低压侧转换器，如第2b图，驱动线圈N_D的第一端连接M_C的的漏极。实施例中以电解电容(electrolytic capacitor)实作C₁，而以陶瓷电容(ceramic capacitor)实作C₂。

R_L用以限制突入电流，M_C用以导通稳态电流，D₂与C₁，其构成一波峰整流器(peak rectifier)，用以将在N_D上的感应电压的波峰整流成M_C的驱动电压，R₂与D₁用以开启M_C，Q与R₁用以关闭M_C。

N_D可衍生自(derived from)功率因素修正器PFC的电感(若存在)或任意(arbitrary)直流/直流转换器DDC的电感或变压器。

因D₁的阳极与阴极分别连接至Q的基极与发射极，故D₁与Q互相牵制。当D₁导通时，Q截止；当Q导通时，D₁截止。

在电源供应器的开机瞬间，在N_D上无感应电压；C_E与C₁的最初电压为O；D₂、D₁、Q与M_C截止；突入电流流经R_L且可被R_L限制至一安全值。当

流经R_L， ${\hat{V}}_{\mathrm{in},\max }={\hat{I}}_{\mathrm{inrush},\max }{R}_L$ 将被复制(reproduced)于M_C的漏极与源极。因此，对图2a所示的实施例，R₂(*)与C₂(*)是非必须的，因

不会错误开启M_C；但对图2b而言，R₂与C₂是必须的，用以延长M_C的充电时间以避免此瞬时(transient)由

复制的

错误开启M_C。

于电源供应器的稳态，D₂与C₁将在N_D上的感应电压的波峰整流成M_C的驱动电压；D₁与M_C导通但Q截止；稳态电流流经M_C且功率散逸可被M_C降低至一微小值。

于电源供应器的关机瞬间，在N_D上无感应电压；D₂与D₁截止；如图2a的实施例，C₁通过R₂(*)与R₁放电，M_C与C₂(*)通过Q与R₁放电；或者，如图2b的实施例，C₁通过R₂、R₁与R_L放电，M_C与C₂通过Q与R₁放电。

为于电源供应器的稳态正确开启M_C，栅极驱动器必须提供一非时变驱动电压(time-invariant driving voltage)。首先，以下述具体实施例说明如何自各种转换器拓扑(converter topologies)产生一非时变驱动电压。

当PFC不存在且DDC为逆向式转换器(flyback converter)FBC，本发明所揭示的高压侧突入电流限制器与低压侧突入电流限制器的应用于电源供应器分别示于图3a与图3b，其中N_D衍生自FBC的变压器；D₂与C₁将在N_D上的感应电压的波峰整流成M_C的驱动电压；v_i为FBC的时变输入电压(time-varying input voltage)；S_P为FBC的初级开关；N_P为FBC的初级线圈；N_S为FBC的次级线圈；D_S为FBC的次级整流器；V_o为FBC的非时变输出电压(time-invariant output voltage)。

当S_P开启，N_S的感应电压为

D_S受逆偏截止；N_D的感应电压为

D₂受逆偏截止。当S_P关闭，D_S受顺偏导通；N_P的感应电压为

N_D的感应电压为

D₂受顺偏导通。因此，C₁的跨压为一非时变驱动电压

当PFC存在且DDC为顺向式转换器(forward converter)FWC，本发明所揭示的高压侧突入电流限制器与低压侧突入电流限制器的应用于电源供应器分别示于图4a与图4b，其中N_D衍生自FWC的变压器；D₂与C₁将在N_D上的感应电压的波峰整流成M_C的驱动电压；V_i为FWC的非时变输入电压(time-invariant input voltage)；N_R为FWC的重置线圈(resetwinding)；D_R为FWC的重置二极管(reset diode)；S_P为FWC的初级开关；N_P为FWC的初级线圈；N_S为FWC的次级线圈；D_F为FWC的顺向整流器(forward rectifier)；D_W为FWC的无约束整流器(freewheelingrectifier)；L_o为FWC的输出电感；V_o为FWC的非时变输出电压。

当S_P开启，N_R的感应电压为D_R受逆偏截止；N_S的感应电压为D_F受顺偏导通但D_W受逆偏截止；N_D的感应电压为

D₂受顺偏导通。因此，C₁的跨压为一非时变驱动电压

当S_P关闭，D_R受顺偏导通；N_P的感应电压为

N_S的感应电压为

D_F受逆偏截止但D_W受顺偏导通；N_D的感应电压为

D₂受逆偏截止。

当PFC存在且DDC为任意直流/直流转换器，本发明所揭示的高压侧突入电流限制器与低压侧突入电流限制器的应用于电源供应器分别示于图5a与图5b，与前述实施例的不同在于增设第三二极管D₃与第三电解电容C₃，D₃的阳极与阴极分别连接于N_D的黑点端与C₃的正极；C₃的正极与负极分别连接于D₂的阳极与N_D的非黑点端。

D₃与C₃，其构成一直流复位器(dc restorer)，用以将在N_D上的交流感应电压(ac induced voltage)复位至一直流感应电压(dc inducedvoltage)；D₂与C₁，其构成一波峰整流器，用以将该直流感应电压的波峰整流成M_C的驱动电压，v_i为PFC的时变输入电压，N_PFC为PFC的电力线圈(power winding)，S_PFC为PFC的电力开关(power switch)，D_PFC为PFC的电力整流器(power rectifier)，V_PFC为PFC的非时变输出电压。当S_PFC开启，D_PFC受逆偏截止；N_D的感应电压为

D₃受顺偏导通但D₂受逆偏截止；C₃的跨压为一时变感应电压(time-varying inducedvoltage)

当S_PFC关闭，D_PFC受顺偏导通；N_D的感应电压为

D₃受逆偏截止但D₂受顺偏导通。因此，C₁的跨压为一非时变驱动电压

$\frac{v_i{N}_D}{N_{\mathrm{PFC}}}+\frac{(V_{\mathrm{PFC}}-v_i)N_D}{N_{\mathrm{PFC}}}=\frac{V_{\mathrm{PFC}}{N}_D}{N_{\mathrm{PFC}}}.$

由上述可推知，驱动线圈可衍生自功率因素修正器的电感(若存在)或任意直流/直流转换器的电感或变压器。上述具体实施例仅说明如何自功率因素修正器的电感(若存在)或逆向式与顺向式转换器的变压器衍生驱动线圈。

须特别强调，任意直流/直流转换器意指逆向式转换器、顺向式转换器、推挽式转换器(push-pull converter)、半桥式转换器(half-bridgeconverter)、全桥式转换器(full-bridge converter)、谐振式转换器(resonant converter)等等，且驱动线圈亦可被衍生自顺向式、推挽式、半桥式、全桥式转换器等等的输出电感，这些变化的线路图与工作原理可从上述具体实施例类推；故此处不再重新叙述。

另外，实施例中采用NMOSFET实作M_C以便于说明本发明，其亦可由其它场效应晶体管(FET)实作，如P信道金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOSFET)、N信道接面型场效应晶体管(NJFET)或P信道接面型场效应晶体管(PJFET)等晶体管替代，但须注意其极性，如实施例中NMOSFET或者以NJFET替代时，晶体管的漏极作为受电端而源极作为释电端，若采用PMOSFET或PJFET则受电端为源极，释电端为漏极。

通过以上较佳具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种等同的改变及安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。

Claims (8)

1.一种突入电流限制器，包含：

一场效应晶体管，其具有一受电端、一释电端与一栅极；

一限流电阻，其连接在该场效应晶体管的受电端与释电端间；以及

一栅极驱动器，连接该场效应晶体管的栅极与释电端间，其中该栅极驱动器包含一PNP双极晶体管、一第一二极管、一第一电阻、一第一电容、一第二二极管与一驱动线圈，该PNP双极晶体管的发射极与集电极分别连接该场效应晶体管的栅极与释电端，该第一二极管的阴极与阳极分别连接该PNP双极晶体管的发射极与基极，该第一电阻连接于该PNP双极晶体管的集电极与基极间，该第一电容的负极与正极分别连接该驱动线圈的第一端与该PNP双极晶体管的基极，该驱动线圈的第二端连接该第二二极管的阳极，该第二二极管的阴极连接该第一电容的正极，其中：

当该场效应晶体管为N信道金属氧化物半导体场效应晶体管或N信道接面型场效应电晶时，其受电端为晶体管的漏极，而释电端为晶体管的源极；

当该场效应晶体管为P信道金属氧化物半导体场效应晶体管或P信道接面型场效应电晶时，其受电端为晶体管的源极，而释电端为晶体管的漏极。

2.根据权利要求1所述的突入电流限制器，其特征在于该场效应晶体管的受电端与释电端分别连接于一电源供应器的一桥式整流器的正端与一直流直流转换器，该驱动线圈的第一端连接该场效应晶体管的该释电端，该驱动线圈衍生自该直流直流转换器的一输出电感或变压器的线圈，该直流直流转换器为一逆向式转换器、一顺向式转换器、一推挽式转换器、一半桥式转换器、一全桥式转换器或一谐振式转换器。

3.根据权利要求1所述的突入电流限制器，其特征在于该栅极驱动器还包含一第二电容与一第二电阻，该第二电容连接在该PNP双极晶体管的发射极与集电极间，该第二电阻连接在该第一电容的正极与该PNP双极晶体管的基极间。

4.根据权利要求3所述的突入电流限制器，其特征在于该场效应晶体管的受电端与释电端连接于一电源供应器的一直流直流转换器与一桥式整流器负端间，该驱动线圈的第一端连接该场效应晶体管的该受电端，该驱动线圈衍生自该直流直流转换器的一输出电感或变压器的线圈，该直流直流转换器为一逆向式转换器、一顺向式转换器、一推挽式转换器、一半桥式转换器、一全桥式转换器或一谐振式转换器。

5.根据权利要求1所述的突入电流限制器，其特征在于该栅极驱动器还包含一第三电容与一第三二极管，该第三电容的正极与负极连接该第二二极管的阳极与该驱动线圈，该第三二极管的阳极与阴极连接该PNP双极晶体管的集电极与该第三电容的正极。

6.根据权利要求5所述的突入电流限制器，其特征在于该场效应晶体管的受电端与释电端连接于一电源供应器的一桥式整流器的正端与一功率因素修正器间，该驱动线圈的第一端连接该场效应晶体管的该释电端，该驱动线圈衍生自该功率因素修正器的一电感。

7.根据权利要求5所述的突入电流限制器，其特征在于该栅极驱动器还包含一第二电容与一第二电阻，该第二电容正极与负极分别连接在该PNP双极晶体管的发射极与集电极，该第二电阻连接于该第一电容的正极与该PNP双极晶体管的基极。

8.根据权利要求7所述的突入电流限制器，其特征在于该场效应晶体管的受电端与释电端连接于一电源供应器的一功率因素修正器与一桥式整流器的负端间，该驱动线圈的第一端连接该场效应晶体管的该受电端，该驱动线圈衍生自该功率因素修正器的一电感。

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