CN117546385A - 涌流限制器电路 - Google Patents

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CN117546385A CN202180099661.2A CN202180099661A CN117546385A CN 117546385 A CN117546385 A CN 117546385A CN 202180099661 A CN202180099661 A CN 202180099661A CN 117546385 A CN117546385 A CN 117546385A
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Abstract

本发明涉及一种用于整流器(100)的涌流限制器电路(102，104，105)，其中涌流限制器电路提供在整流器(100)的整流部分(101)与滤波电容之间的电流的流动，涌流限制器电路包括功率级(105)；其中功率级(105)包括功率级电阻器(108)和与功率级电阻器(108)并联的功率级晶体管(107)；其中功率级电阻器(108)被配置为传导依赖于功率级晶体管(107)的状态的电流量；以及其中功率级晶体管(107)被配置为传导依赖于功率级晶体管(107)的栅极电容的充电的电流量。

Description

涌流限制器电路
技术领域
本发明涉及用于整流器的涌流限制器电路、整流器、以及用于限制在整流器的整流部分和滤波电容之间的流动的整流器的涌流的方法、以及滤波电容、以及涌流限制器电路的使用。
背景技术
整流器可能遭受到例如当整流器被接通或短暂断电时可能发生的电压阶跃。在电压阶跃在电容滤波电路的输入端的情况，放电的DC母线电容在输入端呈现低阻抗，因为电解电容器的ESR(等效串联电阻)随电容器值和供应商的变化而变化很大，范围从几欧姆到数千万欧姆。来自低阻抗电压源(诸如DC电池)的大输入电压阶跃会引起高电流尖峰，从而导致一系列问题，从电容器不必要的老化开始，到输入端保险丝跳闸或部件的永久损坏。
发明内容
本发明的目的可以是提供具有有效涌流限制器电路的改进的整流器。
问题由独立权利要求的主题事项来解决，实施例由从属权利要求、下列描述和附图来提供。
所描述的实施例类似地涉及用于整流器的涌流限制器电路、整流器、以及用于限制在整流器的整流部分和滤波电容之间的流动的整流器的涌流的方法、以及滤波电容、以及涌流限制器电路的使用。协同效应可以由实施例的不同组合产生，尽管它们可能没有被详细描述。
此外，应注意的是本发明关于方法的所有实施例可以按照所描述的步骤的顺序执行，然而，这不得是该方法步骤的唯一和基本的顺序。本文提出的方法可以在不脱离各自的方法实施例的情况下用所公开步骤的另一个顺序执行，除非下文明确地提及与此相反。
专业术语是由他们的常识来使用的。如果要向某些术语传达特定含义，则将在使用这些术语的上下文中给出术语的定义。
根据第一方面，用于整流器的涌流限制器电路被提供，其中涌流限制器电路提供在整流器的整流部分和滤波电容之间的电流的流动。涌流限制器电路包括功率级，其中功率级包括功率级电阻器和与功率级电阻器并联的功率级晶体管。功率级电阻器被配置为传导依赖于功率级晶体管的状态的电流量。功率级晶体管被配置为传导依赖于功率级晶体管的栅极电容的充电的电流量。
术语“涌流”指定是当整流器接通时产生的电流，并且给未负载的DC滤波电容器(或通常为容性负载)充电。在DC线路上的电压跳变也会产生同样的效果。例如，电压跳变可以是15V。
功率级是涌流限制器电路的主要部分，因为它包括最终负责整流级和滤波电容器之间电流的流动的部件。部件是电阻器和晶体管，诸如MOSFET或其他功率晶体管。电阻器可以是并联连接的多个晶体管的布置，以便将电流分配到一个以上的单个电阻器上。由于电阻器是在线连接的，如果晶体管关断，根据电阻器的特点被限制，它会传导全部的涌流。如果晶体管处于关断状态和接通状态之间的状态，电阻器传导一部分涌流，并且如果晶体管接通，它不传导或几乎不传导电流。换句话说，流过电阻器和晶体管的电流量依赖于晶体管栅极电容的充电。当然，还可能存在进一步的依赖关系，诸如电阻器和晶体管的电压和特点。
电路允许以这样的方式开关晶体管，即电流要么流过电阻器，要么流过晶体管，并且在很短的过渡时间内同时流过两者。通过这种方式，涌流可以被电阻器限制，并且电流限制可以通过解除电阻器而被移除。
根据实施例，涌流限制器电路进一步包括恒流源。恒流源被配置为对功率级晶体管的栅极电容充电。
功率级晶体管栅极电容的充电由恒流源被执行。
充电可能花费一些时间，从而在第一阶段，晶体管被关断来限制涌流，在第二阶段，晶体管处于不能完全传导的短暂的瞬态，在第三阶段，晶体管被接通从而电流限制可以通过解除电阻器而被移除。由于过渡阶段短，涌流从电阻器到晶体管的相对平滑再分配被实现。因此，电阻器满足其限流范围，并且在标称操作期间由晶体管释放。
根据实施例，恒流源被配置为根据配置的时间常数对功率级晶体管的栅极电容充电。
恒流源可以包括晶体管，诸如MOSFET，被接线到电阻器和/或影响提供给功率级晶体管栅极的电流量的其他设备。时间常数可以通过调整这些设备的数值来被改变。
根据实施例，涌流限制器电路进一步包括再触发电路。再触发电路被配置为检测DC母线电压跳变，并且如果检测到存在DC母线电压跳变，则关断晶体管。
这可以通过将功率级晶体管的栅极电压拉低至其阈值电压以下来实现。由于栅极电容器随后放电，栅极电容器必须由恒流源再次充电。与上述情况类似的情况，当接通整流器时，电阻器传导涌流，从而限制电流直到晶体管变得导电。
根据实施例，再触发电路包括比较器，比较器被配置为比较基于DC母线电压的延迟电压和基于DC母线电压的非延迟电压，并且如果不同电压中的比较结果高于阈值，则确定DC母线电压跳变已经发生。
根据实施例，再触发电路包括配置为用于检测DC母线电压跳变的施密特触发器。
例如，比较器可以是施密特触发器。延迟可以由电容器被影响。例如，当不发生跳变时，比较器的第一和第二输入电压是相同的。然而，在跳变的情况下，第一输入电压立即改变为一个新数值，并且第二输入电压首先保持与跳变前大致相同的水平，然后收敛到新数值，从而输入值再次相等。只要直接在跳变后的某个时间点开始的电压差高于比较器的阈值，则拉低晶体管栅极的信号被生成。
根据实施例，再触发电路包括用于生成控制信号来关断晶体管的逻辑器件。
数字解决方案可以使用诸如DSP、CPLD、FPGA或其他逻辑组件等逻辑器件来代替或支持模拟解决方案(诸如使用上述电容器)。通常地，任何逻辑设备或逻辑设备的布置可以被使用。
根据实施例，电阻器即与晶体管并联的涌流电阻器，是NTC、PTC或与温度无关的功率电阻器。
例如当使用NTC时，其影响是因为NTC是冷的，所以当接通整流器时电阻高，并且当过渡到或在标称操作期间，由于NTC变得更热，电阻会降低。因此，涌流最初被严格地限制，限制随着时间的推移而减小。因此，限制是以有效的方式被执行。然而，例如PTC或与温度无关的功率电阻器也可以被使用。。
根据实施例，晶体管是MOSFET晶体管。
理想情况下，阈值电压U_GS(栅极-源)为4…7V和例如U_GS为10V的饱和度的部件被使用。MOSFET可以是SiC或Si MOSFET。
根据进一步方面，整流器包括具有提供功率级的本文所述的涌流限制器电路。
根据实施例，涌流限制器电路的功率级被布置在整流器的负DC或正DC路径上。
正路径和负路径之间的选择可能基于市场上合适MOSFET类型的可用性或其他设计方面。优选地，将功率级被布置在负路径上。
当功率级被布置在负路径上时，电压跳变的检测和所述电路的供应可以通过正DC母线电压或通过其导出的电压被获得。
根据实施例，整流器被配置为通过整流器的正DC母线电压来供应恒流源。
因此，恒流源电路的MOSFET的漏极可以是P-通道MOSFET，其源极通过电阻器被耦合到正DC电压并且其漏极被连接到功率级MOSFET的栅极。
根据进一步方面，整流器是电容滤波桥式整流器。
根据进一步方面，用于限制在整流器的整流部分和滤波电容之间流动的整流器的涌流的方法。其中涌流限制器电路包括具有功率级电阻器和与电阻器并联的功率级晶体管的功率级。该方法包括以下步骤：通过功率级电阻器，传导依赖于功率级晶体管的状态的电流量。通过功率级晶体管，传导依赖于功率级晶体管的栅极电容的充电的电流量。
该方法进一步包括在接通整流器后晶体管关断，并且功率级的电阻器传导涌流。在栅极电容充电后，功率级的晶体管被接通来传导电流。
该方法可以进一步包括在电压跳变的情况下放电栅极电容和本公开中描述的进一步的步骤。
根据进一步方面，在整流器中如本文所述的涌流限制器电路的使用被提供。涌流限制器电路可以进一步用于任何能量存储中，其中存储能量的量是存储上电压的函数。涌流管理器监督两个输入电压中的任何一个的快速增加。
参考附图和下文的描述，上述特征和本发明的其他特征、方面和优点将变得更好理解。相同或等效的元件原则上具有相同的参考符号。
附图说明
图1示出了根据实施例的包括涌流限制器电路的整流器的示意图。
图2示出了涌流限制器电路的仿真图。
图3示出了根据实施例的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了根据实施例的包括浪涌限流电路102、104、105的整流器100的简化原理图。整流器包括具有二极管桥111的整流级101，作为具有晶体管106的电流限制器电路块102、104、105之一的恒流源102，具有滤波电容器109的DC输出级103，称为功率级的涌流块105，以及在本公开中称为再触发电路104的进一步的涌流块104。图1中的整流级101示出了两种桥布置112、113。第一桥布置112可以被连接到交流主干线，第二桥布置113可以被连接到交流主干线(UMain)或交流辅助干线(UAux)。输出级103的电容器109对整流级101的输出电压进行滤波。UDC指定是正DC母线，以及GNDZ指定是电接地。
当接通整流器时，电容器109将被负载从而导致高涌流。这同样适用于任何正电压跳变。为了限制涌流，涌流块105被插入，其在图1的示例中包括一组并联NTC电阻器108和一个晶体管107。当接通整流器时，晶体管107尚未传导，NTC电阻器108具有高电阻，因此限制了涌流。同时，晶体管107的栅极电压通过使用晶体管106控制的恒流源102提供的电流缓慢增加从而导致通过晶体管107的电流增加，直到晶体管107被完全接通。因此，当晶体管107被关断时，电阻器108传导全部电流，如果晶体管部分导电，则传导部分电流，如果晶体管107被打开，从而在浪涌期后准满标称电流通过晶体管107被传导，则几乎不传导电流。适当的时间常数的设置允许平衡功率MOSFET和并联电阻器之间的涌流。
也就是说，在整流器100被接通的情况下，高涌流首先由冷NTC电阻器的高电阻被限制。同时，恒流源102缓慢加载晶体管107的栅极，从而恒流源102使晶体管处在不传导电流和完全传导之间的过渡阶段。这样，当温度升高和电阻减小时，NTC电阻器108从传导高电流中被释放，从而变得太热。另一方面，这避免了晶体管107在电压跳变后在第一相中传导高涌流。
在运行中，可能会发生进一步的电压跳变，例如由于短暂停电，例如在电网侧。在这种情况下，再触发电路104被使用来复位晶体管107。再触发电路104在图1所示的UGS线处被连接到功率级105。再触发电路104包括比较器110，其比较分压器的电压和在图1的示例中由电阻器和电容器确定的电压，从而正电压跳变被检测。当检测到电压跳变时，再触发电路102将栅极电压降低到晶体管阈值电压以下从而晶体管107被断开。然后，通过恒流源102对晶体管107的栅极缓慢充电，再次开始该过程。
图2示出了具有一些应用于图1所示的电路的场景的模拟的特征波形。
绘图202描述了多个电压阶跃的输入电压：
1)在t＝0.1秒时，从0V跳跃到100Vdc
2)在t＝1.0秒时，从100Vdc跳跃到230Vac
3)在t＝2.0秒时，输入电压中断1秒
4)在t＝3.0秒时，从0V跳跃到230Vac
5)在t＝3.85秒时，输入电压中断100毫秒
绘图204示出了相应的DC输出电压，绘图206示出了输入电流，即包括电压跳变时的涌流，以及绘图208示出了图1所示的电流限制器功率MOSFET 107的栅极电压。
在启动211时，晶体管107的栅极电压208通过恒流源102的P-通道MOSFET 106调节的恒定的、与电压无关的电流被缓慢增加。任何以下的电压跳变将不由当前最先进的拓扑结构被限制。如绘图202所示，输入电压在212处增加，并且导致晶体管107的栅极电压208下降。电压的下降由比较器110被影响，该比较器110将栅极电压降低到晶体管阈值电压以下。这意味着，如果任何输入线(UMAIN或UAUX)具有大于15V的正增量(全部被滤波)，则涌流限制器被打开(或栅极源电压U_GS将被放电到低至栅极源阈值电压U_GS_threshold)，并且电流在下一刻流过NTCs。因此，电流限制进程重启。在213处，DC电压为零从而栅极电压降至接近零，并且在214处的交流电压影响栅极电压的上升，类似于启动阶段211所示的情况。
图3示出了用于限制在整流器的整流部分101和滤波电容109之间流动的整流器的涌流的方法300的流程图，其中涌流限制器电路包括具有功率级电阻器108的功率级105和与该电阻器108并联的功率级晶体管107。该方法包括以下步骤：
通过功率级电阻器108，传导302依赖于功率级晶体管107的状态的电流量。通过功率级晶体管107，传导304依赖于功率级晶体管107的栅极电容的充电的电流量。
本领域技术人员可以通过对附图、本公开和所附权利要求的研究来理解和实现所公开的实施例的其他变体。在权利要求中，单词“包括”不排除其他要素或步骤，不确定冠词“一”或“一个”不排除复数。单个处理器或其他单元可以完成权利要求中列举的多个项目或步骤的功能。在相互不同的从属权利要求中列举某些措施的这一事实并不表明这些措施的组合不能被使用于谋取利益。权利要求中的任何参考符号不应该被解释为限制权利要求的范围。
附图标记列表
100 整流器
101 整流器的整流部分
103 DC输出级
104 再触发电路
105 功率级
106 再触发电路的晶体管
107 功率级晶体管
108 功率级电阻器
109 滤波电容器
110比较器/施密特触发器
111 二极管桥
112 整流部分的第一桥布置
113 整流部分的第二桥布置
202 输入电压的绘图
204 DC输出电压的绘图
206 输入电流的绘图
208晶体管107的栅极电压
211模拟第一阶段；初始阶段/接通整流器
212模拟第二阶段；从100Vdc跳跃到230Vac
213模拟第三阶段；输入电压的中断
214模拟第四阶段；从0V跳跃到230Vac
215模拟第五阶段；输入电压的中断
300 方法
302 方法的第一步
304 方法的第二步

Claims (15)

1.一种用于整流器(100)的涌流限制器电路(102，104，105)，其中所述涌流限制器电路提供在所述整流器(100)的整流部分(101)与滤波电容之间的电流的流动，所述涌流限制器电路包括
功率级(105)；其中
所述功率级(105)包括功率级电阻器(108)和与所述功率级电阻器(108)并联的功率级晶体管(107)；
其中所述功率级电阻器(108)被配置为传导依赖于所述功率级晶体管(107)的状态的电流量；并且
其中所述功率级晶体管(107)被配置为传导依赖于所述功率级晶体管(107)的栅极电容的充电的电流量。
2.根据权利要求1所述的涌流限制器电路(102，104，105)，进一步包括恒流源(102)，其中所述恒流源(102)被配置为对所述功率级晶体管(107)的所述栅极电容充电。
3.根据权利要求1所述的涌流限制器电路(102，104，105)，其中所述恒流源(102)被配置为根据所配置的时间常数来对所述功率级晶体管(107)的所述栅极电容充电。
4.根据权利要求1或2所述的涌流限制器电路(102，104，105)，进一步包括再触发电路(104)；其中所述再触发电路(104)被配置为检测DC母线电压跳变，并且如果检测到存在DC母线电压跳变，则关断所述晶体管。
5.根据权利要求4所述的涌流限制器电路(102，104，105)，其中所述再触发电路(104)包括比较器(110)，所述比较器(110)被配置为比较基于所述DC母线电压的延迟电压与基于所述DC母线电压的非延迟电压，并且如果不同电压中的比较结果高于阈值，则确定DC母线电压跳变已经发生。
6.根据权利要求4或5所述的涌流限制器电路(102，104，105)，其中所述再触发电路(104)包括逻辑设备，以生成控制信号来关断所述晶体管(107)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的涌流限制器电路(102，104，105)，其中所述再触发电路(104)包括施密特触发器，所述施密特触发器被配置为用于DC母线电压跳变的检测。
8.根据前述权利要求中任一项所述的涌流限制器电路(102，104，105)，其中所述电阻器(108)是NTC、PTC或与温度无关的功率电阻器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的涌流限制器电路(102，104，105)，其中所述功率级(105)的所述晶体管(107)是MOSFET晶体管。
10.一种整流器(100)，包括具有功率级的根据前述权利要求中任一项所述的涌流限制器电路(102，104，105)。
11.根据前述权利要求所述的整流器(100)，其中所述涌流限制器电路(102，104，105)的所述功率级(105)被布置在所述整流器(100)的负DC路径或正DC路径中。
12.根据权利要求10或11中任一项所述的整流器(100)，其中所述整流器被配置为通过所述整流器(100)的正DC母线电压来提供所述恒流源(102)。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的整流器(100)，其中所述整流器(100)是电容器滤波桥式整流器。
14.一种用于限制在整流器的整流部分(101)与滤波电容(109)之间流动的所述整流器的涌流的方法；其中涌流限制器电路包括具有功率级电阻器(108)的功率级(105)以及与所述电阻器(108)并联的功率级晶体管(107)；其中所述方法包括以下步骤：
通过所述功率级电阻器(108)，传导(302)依赖于所述功率级晶体管(107)的状态的电流量；
通过所述功率级晶体管(107)，传导(304)依赖于所述功率级晶体管(107)的栅极电容的充电的电流量。
15.根据权利要求1至9所述的涌流限制器电路(102，104，105)在整流器(100)或能量存储中的用途，其中所存储的能量的量是电压与所述存储的函数。
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