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采用场效应管替代继电器实现解决浪涌电流电路的设计

2020年07月24日 09:59 次阅读

引言

在现代电子设备中有许多继电器用于电源开关。但在开关过程中,常伴随着几个到几十个毫秒的触点回跳和抖动过程,单次抖跳的时间可达几十微秒到几毫秒,因此会引起被控电路的多次误动作。同时存在不同程度的机械碰撞噪声,由于触点电弧火花,会引发严重的EMIRFI,关断时的线圈反电势高达几百到几千伏,严重时会危及驱动电路,由于超过规定的尖峰电压、浪涌电流会使触点击穿、烧损或粘结,从而误导通或丧失功能。如何解决这些问题已成为现代电子设备的一个不可忽视的问题。一般在电流较大时采取如下两种方法:

1) 继电器与负载之间串接热敏电阻。但正常工作时始终有一电阻存在。同时关断时仍有问题。

2)在继电器与负载之间串接电阻,电阻两端并接一个继电器。但控制关系复杂,而且增加一个继电器及其控制电路。

电路设计

图1为某电子设备的输入整流滤波电路。输入滤波电路工作过程:输入的三相交流电经输入滤波器滤去杂波后经整流电路、开关(继电器)加到输入滤波电容上,当开机信号加到控制电路时,开关合闸,整流电流流过滤波电路输出直流电。当开机信号消失时,开关断开,中止输出直流电。

采用场效应管替代继电器实现解决浪涌电流电路的设计

图1 输入整流滤波电路

由于输入滤波电容较大,因此合闸浪涌电流较高,最大合闸电流为:

IP=U/RS

其中U为三相整流桥输出最大电压峰值,RS为输入滤波回路内阻,通常RS较小,因此IP很大,大的浪涌电流不仅会引起电源开关接点的熔接,也会使输入保险丝熔断,在浪涌电流出现时所产生的干扰将会给其他相邻的用电设备带来妨碍,就电容器和整流器本身而言,多次、反复地经受大电流冲击,性能将会逐渐劣化,因此要限制浪涌电流。设计了一种采用场效应管替代继电器的电路来解决浪涌电流问题。

在电路设计中,利用场效应管的开关特性,用场效应管替代继电器,提出一个解决方案,如图2所示。

图2 抑制浪涌电流电路组成框图

隔离耦合电路是将控制信号变为高频振荡信号利用高频变压器传递到变压器次级。功能电路包括整流滤波、保护等电路。输出电路主要由场效应管和保护电路组成。

图3是一个N沟道场效应管的漏极特性曲线,该曲线可分为可变电阻区、恒流区、夹断区三部分。场效应管工作在可变电阻区时,ID随VDS的增加几乎成线性增大,而增大的比值受VGS控制,这样就可以把管子的D、S间看成一个受电压VGS控制的线性电阻。

图3 N沟道场效应管的漏极特性曲线

为消除浪涌电流,应使场效应管在可变电阻区工作一段时间。由于正常开关工作时管子在可变电阻区时间极短,不能消除或减小浪涌电流。如何使场效应管在完全导通前有足够的时间工作在可变电阻区成为隔离耦合电路设计的关键。

设计了如图4的电路来消除浪涌电流,为使控制信号变为高频振荡信号,选用SG3525。图中SG3525的振荡频率由下式决定:

f=1/C2(0.7R2+3R3)

软启动电路的电容C3是用50mA恒流源充电的[3]。达到50%输出占空比的时间将是:

t=2.5V /50mA*C3

利用SG3525第10引脚关断端控制高频振荡信号的有无。当第10引脚关断端为低电平时,利用SG3525的软启动端电容C3使高频振荡信号脉冲宽度逐渐展宽,使得通过变压器耦合并经整流滤波后加在场效应管V1的GS端的电压缓慢上升,以使场效应管在可变电阻区工作一段时间。由于场效应管是电压控制型器件,消耗电流极小,高频振荡信号整流滤波后的幅值前后几乎一样,场效应管很快完全导通,浪涌电流很大,在场效应管GS两端并联电阻R5,加大SG3525输出端的负载,浪涌电流有所降低,但SG3525发热严重,此方法行不通。

由于SG3525的输出端电压可由13引脚决定,因此如果13引脚的电压由低变高,则输出端脉冲电压也会由低变高,这样整流滤波后的电压也会由低变高,场效应管在可变电阻区可工作一段时间以减小浪涌电流。为获得一个由低变高的电压,采用图4中的LM317电路,由于LM317的输出电压Vout=1.25V(1+R6/R7),为得到一个缓慢上升的Vout,在R6两端并联电容C8,当开机信号为高电平时,R6两端电阻几乎为零,Vout=1.25V。当开机信号为低电平时,电容C8充电,Vout逐渐上升,直至充电完成,此时Vout=1.25V(1+R6/R7)。改变C8的大小即可改变Vout上升的速率,也就改变了场效应管工作在可变电阻区的时间。开机信号为高电平时,电容C8通过V2放电,Vout下降。

在图4中场效应管V1的选择应考虑到导通时能安全承受的最大漏-源极电压和电流。必要时可采取过压保护、抑制尖峰的措施,为增加导通电流可以将场效应管并联工作。由于整流电路出来的电压有300V,同时要求场效应管完全导通时导通电阻足够小,以减小管压降,降低发热,这里选用IXTM21N50,场效应管由关断到完全导通的时间主要由C8决定,由完全导通到关断的时间主要由SG3525决定。当开机信号为高电平时,SG3525输出将在200ns内关断。

图4 抑制浪涌电流电路

接下来的问题是如何确定C8的值,使得浪涌电流足够小同时场效应管又能安全工作。由图4的工作过程来看,可将场效应管看作时变电阻R,由于场效应管工作在可变电阻区时导通电阻R∝1/VGS,而对某一时刻VGS∝Vout,Vout∝1/C8

R∝C8

因此浪涌电流最大值为: IMAX∝1/C8

改变C8的大小就可以改变浪涌电流最大值IMAX。

试验结果

对电路进行仿真,得到图5电流波形,由图中可以看到当C8较大时,由于VGS上升较慢,IDS几乎看不到有上冲,电流上升平稳。为保证场效应管安全工作,必须使浪涌电流小于管子的允许值,而且为使电子设备对电源的影响足够小,同时电路及时工作,应选用合适的电容C8。我们选择C8=166mF, 可消除浪涌电流,得到与仿真波形相似的结果。

结语

该电路在滤波电容400mF、输出功率2kW下长时间稳定可靠工作,目前已批量生产用于某型电子设备中。该电路的改进型已广泛用于其它电子设备中。如果将两只场效应管反向串联替代V1,则该电路稍加改动可以用于交流电路的软启动,现已用于开关该型电子设备中的交流风机,效果很好。

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