开机浪涌电流抑制电路设计研究 本文关键词：浪涌，电流，开机，抑制，电路设计
开机浪涌电流抑制电路设计研究 本文简介：摘要：近年来，宇航用功率继电器发生了多起触点粘连故障，分析表明星上电子设备为提高电源品质，在输入端装有大容量滤波电容，继电器在接通时，电容在上电瞬间近似短路，继电器触点有较大的浪涌电流流过，该浪涌电流导致继电器触点产生熔焊(粘连)失效。通过分析电路浪涌电流产生机理，提出了两种基于场效应管(MOSFE
开机浪涌电流抑制电路设计研究 本文内容：
摘要：近年来，宇航用功率继电器发生了多起触点粘连故障，分析表明星上电子设备为提高电源品质，在输入端装有大容量滤波电容，继电器在接通时，电容在上电瞬间近似短路，继电器触点有较大的浪涌电流流过，该浪涌电流导致继电器触点产生熔焊(粘连)失效。通过分析电路浪涌电流产生机理，提出了两种基于场效应管(MOSFET)器件的可靠有效的浪涌电流抑制电路，并对两种电路进行了分析。该研究对于抑制电源加电瞬间浪涌电流，提高供电的可靠性和安全性具有重要意义。
关键词：浪涌电流；触点粘连；MOSFET器件
近年来，宇航用功率继电器发生了多起触点粘连故障，分析表明星上电子设备为提高电源品质，在输入端装有大容量滤波电容，继电器在接通时，电容在上电瞬间近似短路，继电器触点有较大的浪涌电流流过，该浪涌电流导致继电器触点产生熔焊(粘连)失效[1]。浪涌电流是一种突发性瞬态电流脉冲，常见的是指在电源接通瞬间出现的流入设备的峰值电流。如果不加控制，浪涌电流的尖峰可能比稳态电流大几倍甚至十几倍，脉冲宽度可以短到纳秒数量级，其造成的影响包括烧毁保险丝，造成继电器开关触点熔焊，对其它电路造成严重干扰。产生浪涌电流的原因主要是因为电子设备为提高电源品质，提高抗电磁干扰(EMI)传导干扰的能力，在设备输入端安装大容量的滤波电容。这些电容自身的等效串联电阻很小，导致这些滤波电路在加电瞬间产生很大的滤波电容充电瞬时脉冲电流，通常称这种加电瞬间输入端脉冲电流为“输入浪涌电流”。本文在分析电路浪涌电流产生机理的基础上，对浪涌电流抑制电路设计开展研究。
1直流电源浪涌电流形成原因分析
典型的卫星供配电系统如图1所示，为了抑制传导干扰，在DC-DC变换器输入端设置EMI滤波电路，其中有大量滤 波电容。继电器闭合瞬间，电源对滤波电容进行充电直至电压稳定，这期间会产生很大的滤波电容充电脉冲电流，这是导致输入浪涌电流的主要原因[2]。图2为星上DC-DC变换器输入端的典型滤波电路原理图。左边输入端的两组电容分别滤除低频和高频的差模干扰噪声。右端为一Π型滤波电路，主要滤除DC-DC变换器本身向母线发射的高频干扰。滤波电路左侧的大容量钽电容是导致供电控制继电器闭合瞬间，输入浪涌电流的主要原因。DC-DC电源产生浪涌电流的原因是电容器在充电瞬间相当于短路状态，而电容器等效电阻(ESR)较小，电容器容量越大，产生的浪涌电流越大。在充电瞬间，电容器相当于“短路”状态，若将一次电源看作理想状态(一次电源可提供足够大的电流且内阻为零)，忽略电容器的等效串联电感，在瞬间加电时，可将DC-DC电源输入等效为图3所示的电路[3]。若一次电源输出电压为28V，估算电缆的线阻、钽电容器等效串联电阻合计为0.37W。根据卫星电源设备输出特性，一次电源输出端电容阵为40000μF，对DC-DC电源的输入浪涌进行了计算机仿真，根据仿真结果可知在二次电源加电瞬间，浪涌电流可达到80A。图4为实测的卫星DC-DC电源加电瞬间浪涌电流波形，整个过程包含两个尖峰，第一个是EMC滤波器电容充电造成的浪涌电流，其对电容充电直至电容电压与输入电压相等；第二个电流峰值是DC-DC转换器启动特性造成的，卫星DC-DC电源在加电启动过程中，会产生一个过冲，从而造成了第二个尖峰。第一个电流尖峰是通常所说的浪涌电流，其峰值和形状取决于电源的输入特性，即电源的输入阻抗。浪涌电流可由电容的电流电压方程式推导，i=C×dU/dt。电容C是EMC滤波器以及DC-DC变换器输入端的总等效电容。只有当电容输入电压斜率有很大突变(当电源控制继电器闭合时，才能导致滤波电容端电压短时间的快速上升)时，才会带来比较大的输入浪涌电流问题[4]。
2基于MOSFET器件浪涌电流抑制电路研究
常用的浪涌电流抑制手段是利用MOSFET场效应管控制其在可变电阻区的导通过程，抑制负载端电容器突然加电产生的浪涌电流。图5是一个N沟道场效应管的特性曲线，该曲线可分为可变电阻区、饱合区(恒流区)、截止区(夹断区)三部分。由于MOSFET场效应管是电压控制型器件，当场效应管工作在可变电阻区时，可以看作是一个压控电流源，漏极电流IDS随栅极电压UGS的增加几乎成线性增大，控制UGS电压的变化，从而控制流过漏源极的电流[5]。MOSFET管栅极输入电压建立的时间，使场效应管首先在可变电阻区工作一段时间，从而起到使通路阻抗由大变小，控制输入端滤波电容充电电流，抑制浪涌电流的作用[6.图6是一个N沟道场效应管的等效电路，其中电容Cgs，Cgd，Cds分别为MOSFET栅源电容、栅漏电容(米勒电容)及漏源电容，是MOSFET的寄生电容，可以从元器件数据手册中查得[7]。场效应管在栅极电压控制下的导通过程分为四个阶段，如图7所示[8]：第一阶段：t0～t1，栅极电压UGS上升到UTH开启电压，栅极绝大部分的电流都在给Cgs充电，这个阶段功率MOSFET处于微导通状态；第二阶段：t1～t2，栅极电压将从开启电压UTH上升到米勒平台电压，场效应管器件从开始导通到工作在可变电阻区，漏极电流IDS与栅极电压UGS之间的特性叫做转移特性，栅极电流分别流入寄生电容Cgs和Cgd，MOSFET的输出漏极电流IDS由零随电压UGS的电压开始上升；第三阶段：t2～t3，栅极电压UGS上升至米勒平台电压，场效应管完全开通，漏极电流IDS达到饱和并维持恒定，此时，功率MOSFET工作于饱和区；第四阶段：t3～t4，栅极电流IGS继续对电容Cgs和Cgd充电，栅极电压UGS继续增大直至达到驱动电路提供的电压，此时功率MOSFET完全开通。基于MOSFET的浪涌抑制电路工作基本原理就是控制第二阶段t1～t2的工作时间，确保滤波电容充电的电流可控，从而避免浪涌电流脉冲。该方法利用MOSFET场效应管开关速度快、开关损耗小、栅极驱动方式简单的特点，辅助一些无源器件如电容、电阻控制场效应管的导通过程即可抑制加电浪涌电流。根据所选场效应管种类的不同又分为P沟道MOSFET浪涌抑制电路和N沟道MOSFET浪涌抑制电路两种方案。2.1P沟道MOSFET浪涌抑制方案选用P沟道MOSFET管组成浪涌抑制电路时，为了便于栅极驱动电压电路的搭建，需要将场效应管串联在设备的供电正线上，如图8所示，这种简单实用的输入浪涌抑制电路主要由辅助无源元器件电阻、电容与MOSFET管构成，在继电器导通瞬间，MOSFET管栅源极电压为零，处于截止状态，电源通过电阻给电容C1充电。随电容C1两端电压逐渐升高，栅极电压逐渐升高并达到开启电压，MOSFET开启并工作在线性区，漏极电流IDS与栅极电压UGS成比例关系。在场效应管导通的过程中，后面电路中滤波电容以及负载电容被逐渐充电至稳定，浪涌电流得到抑制。相对N沟道场效应管，P沟道的器件导通电阻略大，同时很难获得抗辐照的大功率管。2.2N沟道MOSFET浪涌抑制方案选用N沟道MOSFET管组成浪涌抑制电路时，为了便于栅极驱动电压电路的搭建，需要将场效应管串联在设备的供电回线上，如图9所示。其栅极电压受无源RC网络控制，继电器闭合瞬间由于电容两端电压不能突变，MOSFET的栅源极电压被钳位在0V，漏源截止，电容C1通过电阻逐渐充电，栅源极电压UGS逐渐升高至开启电压，MOSFET开启并工作在线性区，漏极电流IDS与栅极电压UGS成比例关系。在场效应管逐渐导通的过程中，后续电路中滤波器以及负载端等效电容被逐渐充电至稳定，浪涌电流得到抑制。通过调节R1、R2、C1的值，可以得到较好的浪涌电流抑制效果。
3结论
本文对卫星DC-DC电源中滤波电容导致的继电器闭合瞬间产生浪涌电流的机理进行了探讨，并针对性地提出了两种基于MOSFET器件的浪涌抑制电路，对其电路的设计参数的选取和计算进行了分析。该方法利用MOSFET场效应管开关速度快、开关损耗小、栅极驱动方式简单的特点，辅助一些无源器件如电容、电阻控制场效应管的导通过程即可有效抑制加电浪涌电流。
参考文献：
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[8]张乾，王卫国.星载开关电源浪涌电流抑制电路研究[J].电子技术应用，2008(12)：82-84.
作者：姜东升 邱羽玲 单位：中国空间技术研究院总体部
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