CN111555599A - 一种电容的上电浪涌电流抑制电路和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电容的上电浪涌电流抑制电路和方法，涉及电力电子技术领域，包括供电电源、储能电容、负载和变阻单元；所述变阻单元与储能电容连接后作为整体，再与负载并联接入供电电源，解除了大容量储能电容与负载的并联关系，全新设计了一种变阻单元电路，将新设计的变阻单元与大容量电容结合后作为整体，再与负载并联接入供电电源，使得负载的带载启动和电容的上电浪涌抑制在功能上实现了解耦，且电路简单，成本低，对上电浪涌电流抑制效果好，具有很强的通用性。

Description

一种电容的上电浪涌电流抑制电路和方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种电容的上电浪涌电流抑制电路和方法。
背景技术
当直流电源的负载具有较大脉动功率时，常会在负载供电端并联大容量电容储能，以提供脉冲功率，减小对电源的扰动。这样的应用场合会面临上电浪涌电流问题，即大容量电容在上电时会产生很大的充电电流，造成对线路损害。
为抑制上电浪涌电流，现有技术是将大容量电容与负载并联在一起，再将某种变阻单元串接在其与供电电源之间，如图1所示。变阻单元在上电时呈现较高的阻值以限制电流，而后再变为低阻值以减小对线路的影响。
常见的变阻单元实现方式有三种。第一种是NTC热敏电阻，其在上电时冷态阻值大，电流通过后发热温升，热态阻值小。第二种是从截止态缓慢通过线性区到达导通态的场效应管，其漏源极间的等效导通阻抗由高到低变化。第三种是并联了开关的功率电阻，在上电时仅让电阻导通限制线路电流，而后闭合开关后使电流仅从低阻值的开关流过。
无论变阻单元采用上述哪种实现方式，现有技术下的限流器件都会在抑制浪涌电流期间承受功率，从而发热温升。当负载的漏电流较低时，通常可以通过调节变阻单元的参数，在获得良好上电浪涌电流抑制效果的同时，保证器件的安全。但是当负载的漏电流较大，或是启动工作电压较低时，流经变阻单元的电流会显著增加，大幅加剧限流器件的发热。特别是当电源电压高、电容容量大时，这种加剧的发热常常无法通过调节变阻单元的参数来解决，极易导致器件的过温烧毁。所以，现有技术下在解决大容量电容上电浪涌抑制时存在很大的应用局限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提出一种针对大容量电容的上电浪涌电流抑制电路，采用相对简单的无源器件，实现一种通用的对大容量电容上电浪涌电流的有效抑制。
本发明提供的一种电容的上电浪涌电流抑制电路，包括供电电源、储能电容、负载和变阻单元；
所述变阻单元与储能电容连接后作为整体，再与负载并联接入供电电源。
更进一步的，所述变阻单元包括电阻R1、R2、R3和R4，稳压管D1和D2，电容C2，场效应管Q1和三极管Q2；
所述电阻R1分别连接储能电容的正极、电阻R2、场效应管的栅极和三极管的集电极，所述电阻R2还与场效应管Q1的源极和衬底(漏极)、三极管Q2的发射极及电阻R4连接，并与稳压管D2和电容C2并联，所述三极管的基极与电阻R3连接，所述电阻R3还与稳压管D1的正极连接，所述稳压管还与场效应管的漏极、电阻R4和储能电容的负极连接。
更进一步的，所述供电电源的电压为270V、储能电容为2000uF、负载为10Ω。
更进一步的，所述电阻R1＝200kΩ、R2＝43kΩ、R3＝100kΩ、R4＝10kΩ，所述稳压管D1的击穿电压为20V。
本发明还提供了一种电容的上电浪涌电流抑制方法，包括
供电电源通过电阻R4对储能电容充电，并击穿稳压管D1；
通过电阻R3驱动三极管Q2导通，将场效应管Q1的栅极与源极短接，使其保持截止状态；
当电阻R4两端的电压降低到稳压管D1的击穿电压以下时，三极管Q2退出饱和而截止；
供电电源通过电阻R1对电容C2充电，抬升场效应管Q1的栅极电压；
场效应管缓慢导通，使电阻R4被短接，实现正反馈自锁。
更进一步的，所述供电电源的电压为270V、储能电容为2000uF、负载为10Ω。
更进一步的，所述电阻R1＝200kΩ、R2＝43kΩ、R3＝100kΩ、R4＝10kΩ，所述稳压管D1的击穿电压为20V。
通过采用以上的技术方案，本发明的有益效果是：解除了大容量储能电容与负载的并联关系，全新设计了一种变阻单元电路，将新设计的变阻单元与大容量电容结合后作为整体，再与负载并联接入供电电源，使得负载的带载启动和电容的上电浪涌抑制在功能上实现了解耦，且电路简单，成本低，对上电浪涌电流抑制效果好，具有很强的通用性。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为现有技术对上电浪涌电流抑制的解决方案图；
图2为本发明解决上电浪涌电流抑制的电路原理图；
图3为本发明的变阻单元电路原理图；
图4为实施例1的仿真波形图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明提出的一种大容量电容的上电浪涌电流抑制电路如图2所示。针对现有技术的局限性，本发明解除了大容量储能电容与负载的并联关系。全新设计了一种变阻单元电路，见图3所示。将新设计的变阻单元与大容量电容结合后作为整体，再与负载并联接入供电电源。这样的调整使得负载的带载启动和电容的上电浪涌抑制在功能上实现了解耦。
如图2所示，在系统上电时，负载支路电压完全跟随供电电源，具有带载上电能力，且不产生上电浪涌电流。
储能电容与变阻单元支路如图3所示。在系统上电时，供电电源通过高阻值电阻R4对储能电容充电，限制上电浪涌电流。此时电阻R4两端电压较高，使得稳压管D1被击穿，并通过电阻R3驱动三极管Q2导通，从而将场效应管Q1的栅极与源极短接，使其保持截止状态。随着储能电容电压上升，电阻R4两端的电压降低，当其降到稳压管D1的击穿电压以下时，三极管Q2截止。此时供电电源将通过电阻R1对电容C2充电，抬升场效应管Q1的栅极电压。随着场效应管Q1栅极电压的抬升，场效应管将缓慢导通，使得电阻R4被短接，实现正反馈自锁。由于储能电容的电压在场效应管导通前后的变化较小，加之场效应管缓慢导通时的限流作用，使得这一过程引起的瞬间浪涌电流较小。此后，储能电容将通过导通的场效应管接入供电电源。因为导通的场效应管阻抗很低的缘故，储能电容在负载脉动工作时仍具有很好的功率平滑的效果。
本发明提出的针对大容量电容负载的上电浪涌电流抑制方案，将负载的供电和电容的浪涌抑制实现解耦。设计的新型变阻单元电路，实现大容量电容的上电浪涌抑制。本发明电路简单，成本低，对上电浪涌电流抑制效果好，具有很强的通用性。
实施例1
在本发明在原理图图2和图3的基础上进行参数配置得到本发明的实施实例如下：
1)供电电源电压270V，储能电容为2000uF，负载阻抗为10Ω。
2)R1＝200kΩ，R2＝43kΩ，R3＝100kΩ，R4＝10kΩ，稳压管D1击穿电压20V。
采用本发明实施实例仿真波形如图4所示。在0s时刻上电瞬间，供电电源的电流接近负载电流，储能电容电压从0V缓慢上升，实现了带载启动且不产生浪涌电流的效果。随着电容电压的上升，当其达到250V时，使得稳压管D1无法击穿，场效应管随即导通。此时，电容电压以较快的速度上升到供电电压，完成充电过程。同时引起供电电源在负载电流的基础上仅增加了瞬间3A的浪涌电流，随即恢复至负载电流。
由此可见，本发明在为270V供电系统中存在2000uF大容量储能电容的负载上电时，具有同时带载启动和很好的上电浪涌电流抑制效果。
上述说明示出并描述了本发明的一个优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种电容的上电浪涌电流抑制电路，其特征在于：包括供电电源、储能电容、负载和变阻单元；
所述变阻单元与储能电容连接后作为整体，再与负载并联接入供电电源。
2.根据权利要求1所述的电容的上电浪涌电流抑制电路，其特征在于：所述变阻单元包括电阻R1、R2、R3和R4，稳压管D1和D2，电容C2，场效应管Q1和三极管Q2；
所述电阻R1分别连接储能电容的正极、电阻R2、场效应管的栅极和三极管的集电极，所述电阻R2还与场效应管Q1的源极和漏极、三极管Q2的发射极及电阻R4连接，并与稳压管D2和电容C2并联，所述三极管的基极与电阻R3连接，所述电阻R3还与稳压管D1的正极连接，所述稳压管还与场效应管的漏极、电阻R4和储能电容的负极连接。
3.根据权利要求1所述的电容的上电浪涌电流抑制电路，其特征在于：所述供电电源的电压为270V、储能电容为2000uF、负载为10Ω。
4.根据权利要求1所述的电容的上电浪涌电流抑制电路，其特征在于：所述电阻R1＝200kΩ、R2＝43kΩ、R3＝100kΩ、R4＝10kΩ，所述稳压管D1的击穿电压为20V。
5.一种电容的上电浪涌电流抑制方法，其特征在于：包括
供电电源通过电阻R4对储能电容充电，并击穿稳压管D1；
通过电阻R3驱动三极管Q2导通，将场效应管Q1的删极与源极短接，使其保持截止状态；
当电阻R4两端的电压降低到稳压管D1的击穿电压以下时，三极管Q2退出饱和而截止；
供电电源通过电阻R1对电容C2充电，抬升场效应管Q1的栅极电压；
场效应管缓慢导通，使电阻R4被短接，实现正反馈自锁。
6.根据权利要求5所述的电容的上电浪涌电流抑制方法，其特征在于：所述供电电源的电压为270V、储能电容为2000uF、负载为10Ω。
7.根据权利要求5所述的电容的上电浪涌电流抑制方法，其特征在于：所述电阻R1＝200kΩ、R2＝43kΩ、R3＝100kΩ、R4＝10kΩ，所述稳压管D1的击穿电压为20V。
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