CN105917540A - 浪涌电流抑制电路 - Google Patents

浪涌电流抑制电路 Download PDF

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Abstract

一种抑制浪涌电流流经负载的浪涌电流抑制电路。负载包括：输入电容器(10)，其连接于电源(1)；和一对输出端子(3、4)，其并联连接于输入电容器(10)，并且输出从电源(1)供给的输入电流。浪涌电流抑制电路包括：FET(5)，其连接于DC电源(1)并且被接通/断开控制；第一电感器(8)，其连接于连接点与FET(5)之间；续流二极管(9)，其阴极连接于FET(5)与第一电感器(8)的连接点；和第二电感器(8)，其连接于连接点与二极管(9)的阳极之间。第一和第二电感器(8)均包括磁性部件，该磁性部件覆盖用作电流路径的电线(L)的周面。

Description

浪涌电流抑制电路
技术领域
本发明涉及一种浪涌电流抑制电路。
背景技术
当装置(负载)通电时，可能发生比稳定状态的电流大的大电流(浪涌电流)从电源流到负载的事件。浪涌电流可能不利地影响装置的各个部位，并且已知用于抑制浪涌电流从电源流动的浪涌电流抑制电路。
专利文献1公开了利用降压斩波电路的原则的浪涌电流抑制电路。该浪涌电流抑制电路具有作为输入源的DC电源，并且将电力从一对输出端子输出到负载。浪涌电流抑制电路装备有FET与DC电源的正极和一个输出端子之间的线圈的串联电路。另一个输出端子连接于DC电源的接地部，并且续流二极管反向并联连接于线圈。电容器设置于一个输出端子与DC电源的接地部之间。
在该浪涌电流抑制电路中，控制电压响应于射频脉冲信号从驱动电路输出到FET的栅极，并且FET响应于控制电压而切换。由FET切换的输入电压施加于线圈，并且仅在FET的接通期间，电流流经FET，并从而电容器充电。在FET的断开期间，电容器的充电中断，并且在线圈和二极管中循环的线圈电流减小。随着这些循环继续，每当发生射频脉冲信号时，电容器充电。在该过程期间，当电容器的充电完成时，充电电流的峰值电流逐渐减小并且到达零。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP-A-8-275383
发明内容
本发明要解决的问题
顺便提及，在专利文献1中公开的技术使用线圈作为电感器。在使用大电流的装置中，使用大直径电线，并且需要通过缠绕这样的大直径电线而形成线圈，这产生了电路的尺寸增大的问题。此外，在使用大直径电线的情况下，线圈缠绕工作花费时间和精力，导致制造工作复杂化的另一个问题。
鉴于以上情况而已经做出了本发明，并且因此，本发明的目的是提供能够抑制电路尺寸增大并且简化制造工作的浪涌电流抑制电路。
解决问题的方案
为了解决以上问题，本发明提供了一种浪涌电流抑制电路，该浪涌电流抑制电路抑制从电源供给的浪涌电流流经负载。该浪涌电流抑制电路抑制浪涌电流流经负载，该负载包括连接于电源的输入电容器以及并联连接于输入电容器并且输出从电源供给的输入电流的一对输出端子。该浪涌电流抑制电路包括：开关元件，该开关元件连接于所述电源，并且被接通/断开控制；第一电感器，该第一电感器连接于所述开关元件与连接所述一对输出端子中的一个输出端子和所述输入电容器的一个电极的连接点之间；二极管，该二极管的阴极连接于连接所述开关元件与所述第一电感器的连接点；和第二电感器，该第二电感器连接于所述二极管的阳极与连接所述输入电容器的另一个电极和所述一对输出端子中的另一个输出端子的连接点之间。在该构造中，所述第一电感器和所述第二电感器分别均包括磁性部件，所述磁性部件覆盖用作电流路径的电线的周面。
在以上构造中，优选地，所述磁性部件由布置在轴向上的多个分割的环状元件形成，并且磁性部件的预定长度能够通过选择所述环状元件的数量而改变。
发明的优点
由于各个电感器包括磁性部件，所以本发明能够防止电路尺寸的增大并且简化了制造工作。
附图说明
图1是概念性地示出浪涌电流抑制电路的构造的电路图。
图2是示意性地示出各个第一和第二电感器的结构的说明图。
图3是示意性地示出浪涌电流抑制电路的操作原则的说明图，图3(a)和3(b)分别示出FET 5接通和断开的状态。
图4是示出各个元件的电流波形和电压形态的说明图；图4(a)示出电感电流不连续的电流不连续模式，并且图4(b)示出电感电流连续的电流连续模式。
图5是示出使用浪涌电流抑制电路进行的实验的结果的说明图；图5(a)是示出电感电流IL的变化的说明图，并且图5(b)是示出电容器10两端的电压Vcon的变化的说明图。
参考标记列表
1：DC电源
3：输出端子
4：输出端子
5：FET
6：驱动电路
7：振荡电路
8：感应器
9：二极管
10：电容器
20：磁性部件
具体实施方式
图1是示出根据实施例的浪涌电流抑制电路的构造的电路图。根据该实施例的浪涌电流抑制电路用于将电力输出到负载，该负载接收来自DC电源1的输入，并且浪涌电流抑制电路用于抑制浪涌电流从DC电源1(例如，电池)流到负载。浪涌电流抑制电路主要包括FET 5、第一和第二电感器8、以及续流二极管9。
负载包括输入电容器10以及一对输出端子3和4，并且例如是逆变器。
输入电容器10经由浪涌电流抑制电路连接于DC电源1，并且安置在一对输出端子3和4的输入侧。
一对输出端子3和4并联连接于输入电容器10，并且输出从DC电源1供给的输入电流。负载元件(未示出)连接在输出端子3与4之间。输出端子3和4分别对应于DC电源1的正极侧和接地侧。
FET 5是连接于DC电源1并且被接通/断开控制的开关元件。更具体地，FET 5的漏极连接于DC电源1的正极侧，并且其源极经由第一电感器8连接于一个输出端子3。FET 5的栅极连接于驱动电路6。当接通控制信号输入到其栅极时，FET 5接通，并且当断开控制信号输入到其栅极时，FET 5断开。能够使用除了FET(场效应晶体管)之外的开关元件。
驱动电路6基于从振荡电路7(稍后描述)供给的射频脉冲信号而输出接通/断开控制信号，并且将规定的控制电压供给到FET 5的栅极。振荡电路7用于输出控制驱动电路6，并且将射频脉冲信号输出到驱动电路6。能够通过驱动电路6和振荡电路7设定FET 5的切换频率和占空比。
第一电感器8设置在DC电源1的正极侧上。更具体地，第一电感器8包括：连接于一个输出端子3和输入电容器10的一个电极的连接点与FET 5的源极之间的电线；以及覆盖该电线的至少一部分的磁性部件。设置在DC电源1的接地侧的第二电感器8包括：连接在输入电容器10的另一个电极和另一个输出端子4的连接点与续流二极管9的阳极之间的电线；以及覆盖该电线的至少一部分的磁性部件。第一和第二电感器8的电感值设定为相同。
续流二极管9的阴极连接于FET 5与第一电感器8的连接点。续流二极管9的阳极连接于第二电感器8的与输入电容器10的另一个电极和另一输出端子4的连接点相反的一侧。
图2是示意性地示出各个第一和第二电感器8的结构的说明图。在该实施例中，上面提到的各个第一和第二电感器8(在下文中统称为“电感器8”)包括磁性部件20。磁性部件20是在轴向上具有规定长度的环状部件，并且是通过成型磁性材料而制造的磁性部件。分别通过a和h来表示环状的磁性部件20的径向长度(即，从与电线L接触的内侧面到外侧面的长度)和轴向长度。作为电流路径的电线L通过磁性部件20的内空间插入，并且因此，磁性部件20覆盖电线L的周面。
根据流经电线L的电流来选择磁性部件20的磁性材料。例如，为了使到达大约300A的大电流流动，优选地，选择诸如铁钴磁性合金或电磁软铁这样的具有高饱和磁通密度的磁性材料。
图3是示意性地示出根据实施例的浪涌电流抑制电路的操作原则的说明图；图3(a)和3(b)分别示出FET 5接通和断开的状态。图4示出各个位置的电流波形和电压形态的说明图；图4(a)是电感电流不连续的电流不连续模式，并且图4(b)示出电感电流连续的电流连续模式。
在FET 5接通时，在FET 5的漏极与源极之间形成等于FET 5的接通电阻的电压降的电压(假设在图4中为0V)。在图4中，Vds表示漏-源极电压。另一方面，在FET 5断开时，电源电压Vbat施加于FET 5的漏极与源极之间。
当FET 5接通时，大的漏极电流Id将要流动以对输入电容器10充电。然而，由于在电感器8两端的反电动势电压，如图4(a)和4(b)所示，漏极电流Id以取决于电感器8的电感值的一定梯度而增大。能够使用接通时间和电感值来控制电流峰值。只要FET 5断开，漏极电流Id就停止流动。
在FET 5接通的同时，二极管电流Idio不流动。另一方面，当FET5断开时，电流继续流经电感器8，并且因此，产生沿着图3(b)所示的路径流动的电流。然而，由于没有从DC电源1供给电流，所以该电流以取决于电感器8的电感值的一定梯度逐渐减小。通过改变该梯度或断开时间，能够将操作模式切换为电流连续模式(图4(a))或电流不连续模式(图4(b))。
在FET 5接通时，漏极电流Id作为电感电流IL流动。另一方面，在FET 5断开时，二极管电流Idio作为电感电流IL流动。在电流不连续模式中，随着输入电容器10的充电进行，峰值逐渐减小。另一方面，在电流连续模式中，随着输入电容器10的充电进行，峰值增大直到特定时间点，并且然后减小。在已经完成输入电容器10的充电之后，峰值保持恒定。图4示出采取针对浪涌电流的措施的初始操作，并且因此，不表示所有的上述特性。
通过以上述方式重复循环，直到输入电容器10的充电完成，能够抑制浪涌电流。在设计时，能够根据诸如操作频率、占空比、电感值、开关元件(最大额定值)、二极管(最大额定值)和预充电时间来判定上述参数。
图5是示出使用设定了规定参数的浪涌电流抑制电路进行的实验的结果的说明图。图5(a)是示出电感电流IL的变化的说明图，并且图5(b)是示出输入电容器10两端的电压Vcon的变化的说明图。图5示出在电流不连续模式下抑制浪涌电流(电感电流IL)的情况。当FET 5接通时输入电容器10两端的大约12到15V的电压归因于电容器10的等效串联电阻。
如上所述，在该实施例中，浪涌电流抑制电路用于抑制浪涌电流流经负载，该负载具有连接于电源1的输入电容器10以及并联连接于输入电容器10并且输出从电源1供给的输入电流的一对输出端子3和4。浪涌电流抑制电路装备有：FET 5，其连接于DC电源1，并且被接通/断开控制；第一电感器8，其连接在连接点(一个输出端子3与输入电容器10的一个电极的连接点)与FET 5之间；续流二极管9，其阴极连接于FET 5与第一电感器8的连接点；和第二电感器8，其连接于连接点(输入电容器10的另一个电极与另一个输出端子4的连接点)与二极管9的阳极之间。在该构造中，第一和第二电感器8均包括磁性部件20，该磁性部件20覆盖用作电流路径的电线L的周面。
现在，假设浪涌电流抑制电路不装备有电感器8、并且FET 5从断开切换为接通的情况。当DC电源1的电压施加于浪涌电流抑制电路时，大电流在短时间内流动，以对输入电容器10充电。产生了FET 5可能由于该电流(浪涌电流)而损坏、并且变得不能进行切断操作的问题。
相比之下，在该实施例中，感应器8能够防止大电流的流动，这解决了FET 5损坏从而变得不能够进行切断操作的问题。
在该实施例中，由于磁性部件20用于形成各个电感器8，所以不需要通过将电线缠绕成线圈而形成各个电感器8。这使得能够防止由于通过缠绕大直径电线而形成线圈引起的电路尺寸的增大。由于省略了缠绕电线的工作，所以能够得到简化制造工作、缩短制造过程和实现成本降低的优点。
此外，由于将具有相同电感值的电感器8分别设置在正极侧和接地侧上，所以电路不平衡度降低，并且因此，能够防止从普通模式噪音到正常模式噪音的变化。从而，能够减少可能会产生的对操作的不利影响。
在将磁性部件20用作各个电感器8的部分的情况下，存在许多需要考虑的因素，诸如BH曲线、频率特性和磁性部件20的尺寸(a、h)、要流经电线的电流和操作频率。此外，因为诸如电流值不恒定和磁性部件20具有宽度这样的各种因素，所以在设计时难以在磁性部件20中设定均匀的磁场。因此，优选地使得轴向长度h能够通过将磁性部件20在轴向上分割成圆薄片而变化，并且将分割的环状元件的数量设定为适当数量。这使得能够在制造时容易地改变轴向长度h，并从而吸收了设计误差。
虽然以上已经描述了根据实施例的浪涌电流抑制电路，但是本发明不限于该实施例，并且能够在不背离本发明的范围的情况下做出各种修改。例如，“电源”不仅可以是像一次电池和二次电池这样的输出DC电流的电源，而且可以是通过利用整流器整流AC电源的输出而输出DC电流的电源、甚至是AC电源自身。此外，虽然在实施例中，第一和第二电感器的电感值设定为相同，但是只要电感器起到相等的功能，它们不需要严格一致，并且可以互相不同。
下面以条目[1]和[2]的形式概括了上述根据本发明的实施例的浪涌电流抑制电路的特征。
[1]一种浪涌电流抑制电路，该浪涌电流抑制电路抑制浪涌电流流经负载，所述负载包括连接于电源(1)的输入电容器(10)和并联连接于所述输入电容器并且输出从所述电源供给的输入电流的一对输出端子(3、4)，该浪涌电流抑制电路包括：
开关元件(FET 5)，该开关元件连接于所述电源，并且被接通/断开控制；
第一电感器(8)，该第一电感器连接于所述开关元件与连接所述一对输出端子中的一个输出端子和所述输入电容器的一个电极的连接点之间；
二极管(9)，该二极管的阴极连接于连接所述开关元件与所述第一电感器的连接点；和
第二电感器(8)，该第二电感器连接于所述二极管的阳极与连接所述输入电容器的另一个电极和所述一对输出端子中的另一个输出端子的连接点之间，
其中，所述第一电感器和所述第二电感器分别均包括磁性部件，所述磁性部件覆盖用作电流路径的电线的周面。
[2]根据条目[1]的浪涌电流抑制电路，其中，所述磁性部件由布置在轴向上的多个分割的环状元件形成，并且所述磁性部件的在轴向上的长度能够通过选择所述环状元件的数量而改变。
虽然已经通过参考特定实施例详细描述了本发明，但是对于本领域技术人员来说明显地：能够在不背离本发明的精神和范围的情况下做出变化和修改。
本申请基于2014年2月18日提交的日本专利申请No.2014-028150，该专利申请的内容通过引用并入此处。
工业实用性
由于各个电感器包括磁性部件，所以本发明能够防止电路尺寸的增大并且简化制造工作。提供了这些优点，当应用于浪涌电流抑制电路时，本发明是有用的。

Claims (2)

1.一种浪涌电流抑制电路，该浪涌电流抑制电路抑制浪涌电流流经负载，该负载包括连接于电源的输入电容器和一对输出端子，该一对输出端子并联连接于所述输入电容器并且输出从所述电源供给的输入电流，所述浪涌电流抑制电路包括：
开关元件，该开关元件连接于所述电源，并且被接通/断开控制；
第一电感器，该第一电感器连接在所述开关元件与连接所述一对输出端子中的一个输出端子和所述输入电容器的一个电极的连接点之间；
二极管，该二极管的阴极连接在连接所述开关元件与所述第一电感器的连接点；以及
第二电感器，该第二电感器连接在所述二极管的阳极与连接所述输入电容器的另一个电极和所述一对输出端子中的另一个输出端子的连接点之间，
其中，所述第一电感器和所述第二电感器分别均包括磁性部件，该磁性部件覆盖用作电流路径的电线的周面。
2.根据权利要求1所述的浪涌电流抑制电路，其中，所述磁性部件由布置在轴向上的多个分割的环状元件形成，并且所述磁性部件的在所述轴向上的长度能够通过选择所述环状元件的数量而改变。
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