CN215934717U - 一种瞬态启动电流的抑制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种瞬态启动电流的抑制电路及应用，包括固定电阻R1、固定电阻R2、负温度系数NTC电阻R3、固定电阻R4、电容C1及绝缘栅场效应管Q1，可靠的抑制具有大容量电容器的逆变电路直流环节存在的上电瞬态大电流；解决单一使用负温度系数NTC电阻时，频繁开机导致的低阻抗达不到限流效果的难点、以及解决负温度系数NTC电阻不能尽快达到目标温度，亦即不能尽快降低阻抗，影响设备在正常工况有不必要功耗的问题；同时缓解电路复杂、控制复杂、成本高的短板的问题。

Description

一种瞬态启动电流的抑制电路

技术领域

本实用新型涉及电子电路领域，具体为一种瞬态启动电流的抑制电路。

背景技术

直流环节支撑电容器具有大容量的典型特征，广泛应用在具有逆变电路的变流器类电力电子设备的直流环节电路中，起到对整流器输出电压进行平滑滤波作用，以及使直流母线上的电压波动保持在允许范围，如图1的C1电容器。但是由于较大的容量，如果没有相应的电路设计，不可避免的，这类电容器在上电瞬间的微观角度，类似于将供电回路短路。瞬态电流值由电容两端电压和其“内阻”决定，而“内阻”的阻抗非常小，它与电容器的等效串联电阻R_ESR(ESR Equivalent Series Resistance)密切相关，通过调查，某型号5000uF电容器的R_ESR大约为0.02Ω(在100Hz,1V条件下测试),某型号560uF电容器的RESR大约为0.16Ω(在100Hz,1V条件下测试)，根据欧姆定律，如果工作电压已知，可知瞬态启动电流有多大。所以，没有相关抑制措施的大容量电容电路，在上电瞬态，电力电子设备会因电容器而产生超过额定工作电流几十倍甚至上百倍的短时电流。而在正常工作后，由于电容器“隔直通交”的特性，电容所工作的直流回路的电流微乎其微，不会再造成对供电端的电流冲击。

为抑制直流供电回路大容量电容器在供电瞬态产生的大电流问题，既有设计理论和产品开发的实际应用一般有以下几种常规方法；

(1)在电源整流输出端的主干路上串联电阻，如图2所示，这个电阻可以是固定阻值的功率电阻，在上电瞬态和正常工况，减小电流值。缺点是增加了负载功率。为减小固定电阻对功率的影响，图2的R1也可以是温度系数电阻(正温度系数PTC电阻、负温度系数NTC电阻)，随着温度的变化，R1 的阻抗会相应变化，如采用NTC电阻时，如果其达到足够的温度时，阻值会降到几十毫欧，不会对正常工作工况的电路造成较大功率增加，缺点是如果频繁开机，NTC电阻一直处于高温状态，阻抗会很小，达不到起到抑制上电瞬态启动电流的目的。如果正常工作时，NTC电阻达不到一定温度状态，还会有一定较大阻抗，仍然会造成不必要的功率增加。

(2)采用控制方案，在设备正常工作时，旁路限流电阻，如图3所示， R1为串联在负载侧主回路的限流电阻，一般为大功率大阻抗的固定电阻，设备上电时，通过此电阻慢慢的让大容量的电容器C1充电，待充电达到需求的电压后，让控制继电器J1或类似部件动作(闭合)，旁路掉R1。这个方案应用很广，一般在设计阶段确认和实施。缺点是成本较高，集成度比较低，不易在PCB板级实施；控制也比较复杂，需要软件控制措施；不易用于仅能小改动需求的生产整改。

(3)在电源整流输出端的主干路上串联电感，如图4所示，利用电流不能在电感中突变的特性，抑制瞬态变化的电流。缺点是此电感的感抗会比较大，造成体积大，以及发热问题，不易具体的生产制造实施。

为达到抑制瞬态启动电流的目的，在保证产品可靠性、降低成本、方便实施的基础上，近年来，又有学者和工程师提出多种解决方案，这些方案大都是硬件电路优化的基础上，使用了软硬件检测控制，在低成本产品项目中性价比并不高，特别电流抑制电路是从无到有的整改，实施难度比较大。

因此，特提出本专利申请。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种瞬态启动电流的抑制电路及应用其的电路，解决瞬态启动电流大的问题，旨在提出一种可靠性高、结构简单、成本低、便于“从无到有”整改的电路方案和实施办法。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种瞬态启动电流的抑制电路，还包括固定电阻R1、固定电阻R2、负温度系数NTC电阻R3、固定电阻R4、直流支撑电容C1及绝缘栅场效应管Q1；

所述直流支撑电容C1的负极与电源电路的负线相连接，所述直流支撑电容C1的正极与电源电路的正极之间设置第一支路与第二支路，所述第一支路包括固定电阻R1与固定电阻R2，所述直流支撑电容C1的正极与固定电阻R1 与固定电阻R2串联后与电源电路的正极连接；

所述第二支路包括绝缘栅场效应管Q1、负温度系数NTC电阻R3和固定电阻R4；所述绝缘栅场效应管Q1的漏极与直流支撑电容C1的正极相连，所述绝缘栅场效应管Q1的栅极连接在固定电阻R1和固定电阻R2之间，所述绝缘栅场效应管Q1的源极与负温度系数NTC电阻R3串联后与电源电路的正线相连接，所述固定电阻R4连接在绝缘栅场效应管Q1的漏极与源极之间。

优选的，固定电阻R1、固定电阻R2、固定电阻R4安装在直流支撑电容 C1充放电支路，不在负载工作主电路上。

优选的，所述固定电阻R1的阻值为a欧姆，所述固定电阻R2的阻值为b 欧姆，所述负温度系数NTC电阻R3在常温的电阻R_常温为c欧姆,所述负温度系数NTC电阻R3在最大电流时的阻值为d欧姆，固定电阻R4的阻值为b欧姆，其中，b>c>a>d。

优选的，所述负温度系数NTC电阻R3的阻值d与直流支撑电容C1的等效串联电阻R_ESR1相似或相同数量级。

优选的，绝缘栅场效应管Q1导通时，负温度系数NTC电阻R3的阻值应尽可能的小，所构成的一阶RC低通滤波组件应以电容特性为主。

优选的，所述绝缘栅场效应管Q1为p沟道MOS管。

绝缘栅场效应管Q1在导通前，U_G＝U×R2/(R1+R2)，U_S＝U×R4/(R3+R4)， R2＝R4，电阻R1的阻值影响U_G，电阻R3的阻值影响U_s的原理；负温度系数 NTC电阻R3在常温时，U_G＝U×R2/(R1+R2)＝U×b/(a+b),U_S＝U×R4/(R3+R4)＝U ×b/(c+b),c>a,使U_G>U_S,PMOS绝缘栅场效应管Q1不导通；NTC电阻R3在接近最大电流时的阻抗时，U_G不变，U_S＝U×b/(d+b)，d<a，使U_G<U_S,绝缘栅场效应管Q1导通。

优选的，负温度系数NTC电阻R3在常温瞬态上电时，绝缘栅场效应管Q1 栅极的电压值U_G大于绝缘栅场效应管Q1源极的电压值U_S，使Q1的源极和漏极不导通，固定电阻R1和固定电阻R2串联，再和串联状态的负温度系数NTC 电阻R3、固定电阻R4并联，将直流支撑电容C1的瞬态上电电流抑制。

优选的，负温度系数NTC电阻R3在接近最大工作电流时的阻抗，使绝缘栅场效应管Q1栅极的电压值U_G小于源极的电压值U_S，使Q1的源极和漏极导通，旁路固定电阻R1、固定电阻R2、固定电阻R4，负温度系数NTC电阻R3、绝缘栅场效应管Q1、电容器C1串联在电源电路的正负线之间，构成一阶RC 低通滤波组件，电容器C1作为直流支撑电容使用。

优选的，所述负温度系数NTC电阻R3和电容C1组成一阶RC低通滤波组件的参数不造成、不负责工作回路的谐振。

优选的，在未工作或未频繁开机时，负温度系数NTC电阻R3的阻值大于固定电阻R1的阻值，保证绝缘栅场效应管Q1不导通；在稳态工作时，负温度系数NTC电阻R3的阻值小于固定电阻R1的阻值，保证绝缘栅场效应管Q1 导通。

优选的，为使负温度系数NTC电阻R3尽快达到最大工作电流时的低阻抗，采用靠近热源安装的方式。为使负温度系数NTC电阻R3尽快增大阻抗，采用外表面散热方式。

优选的，为使绝缘栅场效应管Q1在导通前负温度系数NTC电阻R3尽快升温，R3与热源之间安装导热材料。

优选的，为使绝缘栅场效应管Q1在导通前负温度系数NTC电阻R3尽快升温，R3的热源如为电阻器形式，则将此发热电阻器的功率选型余量倍数减小，提高热源发热率、增强发热效果。

优选的，为解决频繁开机负温度系数NTC电阻R3小于固定电阻R1阻值的问题，除R3外部采用散热设计，NTC电阻R3可采用快速散热的封装方式，保证电路断电时，结合散热设计，迅速降温提升阻抗。

优选的，NTC电阻R3选型采用特定条件其阻抗才小于固定电阻R1阻抗的设计理念和目的。特定条件至少可为接近最大电流工况时、热源温度达到一定值时，NTC电阻R3才小于固定电阻R1的阻抗。

一种瞬态启动电流的抑制电路的应用，连接在整流电路的输出电路之后。

与现有技术相比，具备以下有益效果：

1、可靠的抑制具有大容量电容器的逆变电路直流环节存在的上电瞬态大电流现象；解决单一使用NTC电阻时，频繁开机导致的低阻抗达不到限流效果的难点；以及解决NTC电阻不能尽快达到目标温度，亦即不能尽快降低阻抗，影响设备在正常工况有不必要功耗的问题。同时缓解电路复杂、控制复杂、成本高的短板。

2、本实用新型是考虑和利用热源设计，而进行实际电路组装的方法，利用电路或者环境中的既有热源，将负温度系数NTC电阻与其临近，实现快速的、尽最大可能的将NTC电阻R3阻值降低。并对负温度系数NTC电阻进行散热设计、选型设计，使电路无电工况迅速降温，实现快速的、尽最大可能的将NTC电阻R3阻值升高。

附图说明

图1-图4均为现有技术常规方法的稳流电路图；

图5为本实用新型的瞬态启动电流的抑制电路的应用原理图；

图6为本实用新型加导热、散热材料后的瞬态启动电流的抑制电路图；

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

请参阅图5-图6，本实用新型提供以下技术方案：

虚线框代表整流电路，产生一个有“馒头波”状的脉动高压直流，脉动周期为f1,额定电压值为U1，本实施例紧跟在虚线框代表整流电路的输出电路上，具体地，支撑电容器电容C1为本直流电路的支撑电容器，容量较大，焊接在PCB板上。电容器Cn代表后续电路的EMI滤波电容，电阻器Rn代表后续电路的负载。支撑电容器电容C1在频率f1条件下的等效串联电阻为R_ESR1，远小于1欧姆。

本实施例一种瞬态启动电流的抑制电路，包括固定电阻R1、固定电阻R2、负温度系数NTC电阻R3、固定电阻R4、直流支撑电容C1及绝缘栅场效应管 Q1；固定电阻R2工作时表面温度大于70℃；负温度系数NTC电阻R3在温度约70℃时，其阻抗大小类似工作在最大电流的条件下。

具体地，固定电阻R1、固定电阻R2、负温度系数NTC电阻R3、固定电阻 R4、直流支撑电容C1及绝缘栅场效应管Q1均焊接在PCB板上；电阻R2为典型的热源，负温度系数NTC电阻R3在PCB布局时使之靠近电阻R2，二者之间有导热脂，电阻R2工作时，可将NTC电阻R3迅速加热到70℃。NTC电阻R3 外部设计有散热材料，整个电路无电时，可将NTC电阻R3的表面温度迅速降低到70℃以下。

所述直流支撑电容C1的负极与电源电路的负线相连接，所述直流支撑电容C1的正极与电源电路的正极之间设置第一支路与第二支路，所述第一支路包括固定电阻R1与固定电阻R2，所述直流支撑电容C1的正极与固定电阻R1 和固定电阻R2串联后与电源电路的正极连接；

所述第二支路包括绝缘栅场效应管Q1、负温度系数NTC电阻R3与固定电阻R4；所述绝缘栅场效应管Q1的漏极与直流支撑电容C1的正极相连，所述绝缘栅场效应管Q1的栅极连接在固定电阻R1和固定电阻R2之间，所述绝缘栅场效应管Q1的源极与负温度系数NTC电阻R3串联后与电源电路的正线相连接，所述固定电阻R4连接在绝缘栅场效应管Q1的漏极与源极之间。

所述固定电阻R1的阻值为a欧姆，所述固定电阻R2的阻值为b欧姆，所述负温度系数NTC电阻R3在常温的电阻R_常温为c欧姆,所述负温度系数NTC 电阻R3在最大电流时的阻值为d欧姆，固定电阻R4的阻值为b欧姆，其中， b>c>a>d。

具体地，固定电阻R2、R4虽然阻值相等，但R2作为发热源，其功率选型余量为计算功率(P＝I²R)的2倍左右，提高其发热能力；R4不作为发热源，其功率选型余量为计算功率(P＝I²R)的4至5倍。

具体地，固定电阻R2、固定电阻R4的阻值b远大于直流支撑电容C1的等效串联电阻R_ESR1，启到主要限流作用。

具体地，由于直流支撑电容C1工作在脉动直流电路，电路正常工作时，直流支撑电容C1不会充分的放电到零电荷,仅平滑脉动电压，负温度系数NTC 电阻R3和直流支撑电容C1的充放电时间常数τ＝k*(d+R_ESR1)*C，其中k为脉动放电系数，0<k<1,由脉动直流电路的放电比例特性决定，C为电容C1 的容量。其导数对应的频率f2＝1/τ，使f2>f1。保证电容C1在整流电路工作时作为直流电路支撑电容使用。

所述绝缘栅场效应管Q1为p沟道MOS管。

利用PMOS绝缘栅场效应管Q1的栅极电压小于源极电压(U_G<U_S)时导体的性能参数特性，以及电阻的分压特性。PMOS绝缘栅场效应管在导通前，U_G＝ U×R2/(R1+R2)，U_S＝U×R4/(R3+R4)，R2＝R4，利用电阻R1的阻值影响U_G，电阻R3的阻值影响U_s的原理。负温度系数NTC电阻R3在常温时，U_G＝U×R2/(R1+R2)＝U×b/(a+b),U_S＝U×R4/(R3+R4)＝U×b/(c+b),c>a,使U_G>U_S,PMOS 绝缘栅场效应管Q1不导通；NTC电阻R3在接近最大电流时的阻抗时，U_G不变， U_S＝U×b/(d+b)，d<a使U_G<U_S,PMOS绝缘栅场效应管Q1导通。

作为另一种实施方式，负温度系数NTC电阻R3可由多个或多组负温度系数NTC电阻串并联构成，满足整体上负温度系数NTC电阻R3的效果。任一负温度系数NTC电阻组件的单体有失效时，不影响电路整体功能。

作为另一种实施方式，直流支撑电容C1可由多个或多组电容器串并联构成，作为一个整体“电容C1”，也可将并联支路的其他电容器进行上述电路的功能设计。

如图6所示，作为另一种实施方式，负温度系数NTC电阻R3紧邻发热元件固定电阻R2，中间可使用导热材料。上述电子元件R1、R2、R3、R4、Q1均安装在电容充放电支路，不在负载工作主电路上。

一种瞬态启动电流的抑制方法，通过负温度系数NTC电阻R3的温度-阻抗特性，作为绝缘栅场效应管Q1的导通、关闭两种状态的控制信号。

负温度系数NTC电阻R3在温度较低的瞬态上电时，绝缘栅场效应管Q1 栅极的电压值U_G小于源极的电压值U_s，使Q1的源极和漏极不导通，固定电阻 R1和固定电阻R2串联，再和串联状态的负温度系数NTC电阻R3、固定电阻 R4并联，将直流支撑电容C1的瞬态上电电流抑制。

负温度系数NTC电阻R3在温度较高的稳态正常工作时，绝缘栅场效应管 Q1栅极的电压值U_G大于源极的电压值U_s，使Q1的源极和漏极导通，旁路固定电阻R1、固定电阻R2、固定电阻R4，负温度系数NTC电阻R3、绝缘栅场效应管Q1、电容器C1串联在电源电路的正负线之间，构成一阶RC低通滤波组件，电容器C1作为直流支撑电容器使用。

在未工作或未频繁开机时，固定电阻R1的阻值小于负温度系数NTC电阻 R3的阻值，保证绝缘栅场效应管Q1不导通；在稳态工作时，固定电阻R1的阻值大于负温度系数NTC电阻R3的阻值，保证绝缘栅场效应管Q1导通。

为使负温度系数NTC电阻R3无电时大于固定电阻R1的阻抗，NTC电阻选型时应考虑Q1导通时，NTC电阻应近似工作在最大电流状态，且最大电流状态温度比较高，也就等于对热源(固定电阻R2)的发热温度要求比较高，这个温度应远高于无电时安装空间的环境温度。也就是从设计角度，将负温度系数NTC电阻R3的选型设计成特定条件其阻抗才满足小于固定电阻R1的阻抗，这个特定条件可为“NTC电阻工作在最大电流下”、“热源传热时NTC电阻达到的阻抗等于最大电流下的阻抗”等条件。

作为一种选型实施方式，负温度系数NTC电阻R3可为片状封装结构，有较大的表面积，可通过吸热材料有效吸收热源的热量，在Q1未导通前，迅速降低阻抗。在电路无电时，可通过散热设计有效降低温升，迅速提升阻抗。

作为另一种选型实施方式，负温度系数NTC电阻R3可为贴片封装结构，有较小的表面积，可与热源更近距离安装，在Q1未导通前，迅速降低阻抗。在电路无电时，可通过大面积散热设计有效降低温升，迅速提升阻抗。

工作原理：

(1)在正常工况的上电瞬态，根据电阻分压原理，由于固定电阻R2和固定电阻R4阻值相等，固定电阻R1的阻值小于负温度系数NTC电阻R3在常温状态的阻值，使U_G>U_S，绝缘栅场效应管Q1的源极和漏极不导通，直流支撑电容C1通过串联的固定电阻R1、固定电阻R2，再和串联状态的负温度系数 NTC电阻R3、固定电阻R4并联，进行缓慢充电。固定电阻R1、固定电阻R2、固定电阻4作为预充电电阻，抑制瞬态启动电流；

负温度系数NTC电阻R3受热源(本实例热源为固定电阻R2)温升影响，阻值迅速降低，当固定电阻R1的阻值大于NTC电阻R3阻值时，根据电阻分压原理，使U_G<U_S，PMOS绝缘栅场效应管Q1的源极(S极)和漏极(D极)导通，固定电阻R1、固定电阻R2、固定电阻R4被旁路，负温度系数NTC电阻R3和直流支撑电容C1串联组成一阶RC低通滤波组件R3C1，起到对直流电路滤波作用。

由于正常工作后热源(本实例热源为固定电阻R2)被旁路，热源会无电冷却。负温度系数NTC电阻R3的温升主要由其自身通过的电流发热决定，给电路断电后负温度系数NTC电阻R3迅速降温创造条件。

(2)为使负温度系数NTC电阻在电路无电时大于固定电阻R1的阻抗，NTC 电阻选型考虑在特定条件下才满足低阻抗的设计理念。在正常工作热源被旁路进行冷却的前提下，又对负温度系数NTC电阻进行散热处理，保证断电后 NTC电阻迅速提升阻抗，使其大于固定电阻R1的阻值。解决频繁上电容易产生不期望的绝缘栅场效应管导通达不到限流效果问题。

一种瞬态启动电流的抑制电路的应用，连接在整流电路的输出电路之后。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种瞬态启动电流的抑制电路，其特征在于，包括固定电阻R1、固定电阻R2、负温度系数NTC电阻R3、固定电阻R4、直流支撑电容C1及绝缘栅场效应管Q1；

所述直流支撑电容C1的负极与电源电路的负线相连接，所述直流支撑电容C1的正极与电源电路的正极之间设置第一支路与第二支路，所述第一支路包括固定电阻R1与固定电阻R2，所述直流支撑电容C1的正极与固定电阻R1与固定电阻R2串联后与电源电路的正极连接；

所述第二支路包括绝缘栅场效应管Q1、负温度系数NTC电阻R3和固定电阻R4；所述绝缘栅场效应管Q1的漏极与直流支撑电容C1的正极相连，所述绝缘栅场效应管Q1的栅极连接在固定电阻R1和固定电阻R2之间，所述绝缘栅场效应管Q1的源极与负温度系数NTC电阻R3串联后与电源电路的正线相连接，所述固定电阻R4连接在绝缘栅场效应管Q1的漏极与源极之间。

2.如权利要求1所述的抑制电路，其特征在于，所述固定电阻R1的阻值为a欧姆，所述固定电阻R2的阻值为b欧姆，所述负温度系数NTC电阻R3在常温的电阻R_常温为c欧姆,所述负温度系数NTC电阻R3在最大电流时的阻值为d欧姆，固定电阻R4的阻值为b欧姆，其中，b>c>a>d。

3.如权利要求2所述的抑制电路，其特征在于，所述负温度系数NTC电阻R3的阻值d与直流支撑电容C1的等效串联电阻R_ESR1数量级相同。

4.如权利要求2所述的抑制电路，其特征在于，所述绝缘栅场效应管Q1为p沟道MOS管，绝缘栅场效应管Q1在导通前，U_G＝U×R2/(R1+R2)，U_S＝U×R4/(R3+R4)，R2＝R4，电阻R1的阻值影响U_G，电阻R3的阻值影响U_s的原理；负温度系数NTC电阻R3在常温时，U_G＝U×R2/(R1+R2)＝U×b/(a+b),U_S＝U×R4/(R3+R4)＝U×b/(c+b),c>a,使U_G>U_S,PMOS绝缘栅场效应管Q1不导通；NTC电阻R3在接近最大电流时的阻抗时，U_G不变，U_S＝U×b/(d+b)，d<a，使U_G<U_S,PMOS绝缘栅场效应管Q1导通；其中，U_G为栅极电压；U_S为源极电压。

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