在現(xiàn)代電子設(shè)備中有許多繼電器用于電源開關(guān)。但在開關(guān)過程中，常伴隨著幾個到幾十個毫秒的觸點回跳和抖動過程，單次抖跳的時間可達幾十微秒到幾毫秒，因此會引起被控電路的多次誤動作。同時存在不同程度的機械碰撞噪聲，由于觸點電弧火花，會引發(fā)嚴重的EMI和RFI，關(guān)斷時的線圈反電勢高達幾百到幾千伏，嚴重時會危及驅(qū)動電路，由于超過規(guī)定的尖峰電壓、浪涌電流會使觸點擊穿、燒損或粘結(jié)，從而誤導(dǎo)通或喪失功能。如何解決這些問題已成為現(xiàn)代電子設(shè)備的一個不可忽視的問題。一般在電流較大時采取如下兩種方法：
1) 繼電器與負載之間串接熱敏電阻。但正常工作時始終有一電阻存在。同時關(guān)斷時仍有問題。
2)在繼電器與負載之間串接電阻，電阻兩端并接一個繼電器。但控制關(guān)系復(fù)雜，而且增加一個繼電器及其控制電路。
電路設(shè)計
圖1為某電子設(shè)備的輸入整流濾波電路。輸入濾波電路工作過程：輸入的三相交流電經(jīng)輸入濾波器濾去雜波后經(jīng)整流電路、開關(guān)(繼電器)加到輸入濾波電容上，當(dāng)開機信號加到控制電路時，開關(guān)合閘，整流電流流過濾波電路輸出直流電。當(dāng)開機信號消失時，開關(guān)斷開，中止輸出直流電。
圖1 輸入整流濾波電路
由于輸入濾波電容較大，因此合閘浪涌電流較高，最大合閘電流為:
IP=U/RS
其中U為三相整流橋輸出最大電壓峰值，RS為輸入濾波回路內(nèi)阻，通常RS較小，因此IP很大，大的浪涌電流不僅會引起電源開關(guān)接點的熔接，也會使輸入保險絲熔斷，在浪涌電流出現(xiàn)時所產(chǎn)生的干擾將會給其他相鄰的用電設(shè)備帶來妨礙，就電容器和整流器本身而言，多次、反復(fù)地經(jīng)受大電流沖擊，性能將會逐漸劣化，因此要限制浪涌電流[1]。筆者設(shè)計了一種采用場效應(yīng)管替代繼電器的電路來解決浪涌電流問題。
在電路設(shè)計中，利用場效應(yīng)管的開關(guān)特性，用場效應(yīng)管替代繼電器，提出一個解決方案，如圖2所示。
圖2 抑制浪涌電流電路組成框圖
隔離耦合電路是將控制信號變?yōu)楦哳l振蕩信號利用高頻變壓器傳遞到變壓器次級。功能電路包括整流濾波、保護等電路。輸出電路主要由場效應(yīng)管和保護電路組成。
圖3是一個N溝道場效應(yīng)管的漏極特性曲線，該曲線可分為可變電阻區(qū)、恒流區(qū)、夾斷區(qū)三部分。場效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)時，ID隨VDS的增加幾乎成線性增大，而增大的比值受VGS控制，這樣就可以把管子的D、S間看成一個受電壓VGS控制的線性電阻[2]。
圖3 N溝道場效應(yīng)管的漏極特性曲線
為消除浪涌電流，應(yīng)使場效應(yīng)管在可變電阻區(qū)工作一段時間。由于正常開關(guān)工作時管子在可變電阻區(qū)時間極短，不能消除或減小浪涌電流。如何使場效應(yīng)管在完全導(dǎo)通前有足夠的時間工作在可變電阻區(qū)成為隔離耦合電路設(shè)計的關(guān)鍵。
設(shè)計了如圖4的電路來消除浪涌電流，為使控制信號變?yōu)楦哳l振蕩信號，選用SG3525。圖中SG3525的振蕩頻率由下式?jīng)Q定：
f=1/C2(0.7R2+3R3)
軟啟動電路的電容C3是用50mA恒流源充電的[3]。達到50%輸出占空比的時間將是：
t=2.5V /50mA*C3
利用SG3525第10引腳關(guān)斷端控制高頻振蕩信號的有無。當(dāng)?shù)?0引腳關(guān)斷端為低電平時，利用SG3525的軟啟動端電容C3使高頻振蕩信號脈沖寬度逐漸展寬，使得通過變壓器耦合并經(jīng)整流濾波后加在場效應(yīng)管V1的GS端的電壓緩慢上升，以使場效應(yīng)管在可變電阻區(qū)工作一段時間。由于場效應(yīng)管是電壓控制型器件，消耗電流極小，高頻振蕩信號整流濾波后的幅值前后幾乎一樣，場效應(yīng)管很快完全導(dǎo)通，浪涌電流很大，在場效應(yīng)管GS兩端并聯(lián)電阻R5，加大SG3525輸出端的負載，浪涌電流有所降低，但SG3525發(fā)熱嚴重，此方法行不通。
由于SG3525的輸出端電壓可由13引腳決定，因此如果13引腳的電壓由低變高，則輸出端脈沖電壓也會由低變高，這樣整流濾波后的電壓也會由低變高，場效應(yīng)管在可變電阻區(qū)可工作一段時間以減小浪涌電流。為獲得一個由低變高的電壓，采用圖4中的LM317電路，由于LM317的輸出電壓Vout=1.25V(1+R6/R7)，為得到一個緩慢上升的Vout，在R6兩端并聯(lián)電容C8，當(dāng)開機信號為高電平時，R6兩端電阻幾乎為零，Vout=1.25V。當(dāng)開機信號為低電平時，電容C8充電,Vout逐漸上升，直至充電完成，此時Vout=1.25V(1+R6/R7)。改變C8的大小即可改變Vout上升的速率，也就改變了場效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)的時間。開機信號為高電平時，電容C8通過V2放電，Vout下降。
在圖4中場效應(yīng)管V1的選擇應(yīng)考慮到導(dǎo)通時能安全承受的最大漏-源極電壓和電流。必要時可采取過壓保護、抑制尖峰的措施，為增加導(dǎo)通電流可以將場效應(yīng)管并聯(lián)工作。由于整流電路出來的電壓有300V，同時要求場效應(yīng)管完全導(dǎo)通時導(dǎo)通電阻足夠小，以減小管壓降，降低發(fā)熱，這里選用IXTM21N50，場效應(yīng)管由關(guān)斷到完全導(dǎo)通的時間主要由C8決定，由完全導(dǎo)通到關(guān)斷的時間主要由SG3525決定。當(dāng)開機信號為高電平時，SG3525輸出將在200ns內(nèi)關(guān)斷。
圖4 抑制浪涌電流電路
接下來的問題是如何確定C8的值，使得浪涌電流足夠小同時場效應(yīng)管又能安全工作。由圖4的工作過程來看，可將場效應(yīng)管看作時變電阻R，由于場效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)時導(dǎo)通電阻R∝1/VGS，而對某一時刻VGS∝Vout，Vout∝1/C8
R∝C8
因此浪涌電流最大值為: IMAX∝1/C8
改變C8的大小就可以改變浪涌電流最大值IMAX。
試驗結(jié)果
對電路進行仿真，得到圖5電流波形，由圖中可以看到當(dāng)C8較大時，由于VGS上升較慢，IDS幾乎看不到有上沖，電流上升平穩(wěn)。為保證場效應(yīng)管安全工作，必須使浪涌電流小于管子的允許值，而且為使電子設(shè)備對電源的影響足夠小，同時電路及時工作，應(yīng)選用合適的電容C8。我們選擇C8=166mF, 可消除浪涌電流，得到與仿真波形相似的結(jié)果。
結(jié)語
該電路在濾波電容400mF、輸出功率2kW下長時間穩(wěn)定可靠工作，目前已批量生產(chǎn)用于某型電子設(shè)備中。該電路的改進型已廣泛用于其它電子設(shè)備中。如果將兩只場效應(yīng)管反向串聯(lián)替代V1，則該電路稍加改動可以用于交流電路的軟啟動，現(xiàn)已用于開關(guān)該型電子設(shè)備中的交流風(fēng)機，效果很好。
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