浪涌電流量測方式 - 造成系統(tǒng)毀損及耗能的浪涌電流.docx

浪涌電流量測方式 - 造成系統(tǒng)毀損及耗能的浪涌電流星期六的下午陽光透過房間的窗戶，光線折射在雪花窗欞，溫暖的金黃色的陽光舒服地灑在臉上，躺在柔軟沙發(fā)上度過一個下午，許久沒有如此自在，突然遠處的手機響起，還在思考要不要接時，萬萬沒想到來電顯示的是國外技術(shù)服務(wù)經(jīng)理，鐵定是急事，接聽下果然有大事不妙，我們的產(chǎn)品開機導(dǎo)致系統(tǒng)其它設(shè)備重新啟動。左思右想一定是系統(tǒng)內(nèi)無熔絲開關(guān)容量過少，建議在安全規(guī)格內(nèi)加大無熔絲開關(guān)容量，問題暫時解決了隔天進入辦公室先量測一下產(chǎn)品的浪涌電流（inrush current），果然如圖1不是理想， 顯示瞬間浪涌電流是44安培， 雖然inrush current沒有硬性國際規(guī)范限制，但終就需研究一下各家設(shè)計，以及一些特定業(yè)別應(yīng)用的場地注意事項及限制在此分享給各位讀者。圖一 ： 顯示瞬間浪涌電流為44安培何謂浪涌電流（inrush current）浪涌電流（inrush current）是一種電源啟動時產(chǎn)生的峰值電流（spike of current）。圖2是一種典型的直流對直流的電源系統(tǒng)。EMI濾波器輸入線路端包含了一些電容，同樣直流直流轉(zhuǎn)換器在輸入和輸出端也含有電容，負載端有可能含有其它的附加電容及雜散電容。當(dāng)電源啟動時電流對其電容充電的瞬時至穩(wěn)態(tài)電壓的電流即稱為浪涌電流（Inrush Current）。在電容器前端沒有連接任何阻尼時交流或者直流電網(wǎng)瞬間造成電容器類似短路效果當(dāng)然瞬間浪涌電流也會導(dǎo)致電容器的壽命減損。圖二 ： 典型直流對直流的電源系統(tǒng)般電源器首重其保護裝置，電流保護組件即俗稱的保險絲，在應(yīng)用上可細分為一次或多次型保險絲（One Time or Resettable fuse）。其工作原理乃是利用電流之焦耳定律：圖三 ： 焦耳定律將電流轉(zhuǎn)換為熱量，此熱量則提供融斷保險絲內(nèi)之金屬層能量使電路開路，進而保護后端組件之安全性，一般小電流之保險絲其瓶頸在于如何克服浪涌電流（Inrush Current），為了避免開機之浪涌電流對保險絲造成永久破壞，建議采用適當(dāng)?shù)碾娐穪斫档屠擞侩娏鳎╥nrush current）。據(jù)PC的電源為例，假設(shè)其功率為300瓦，效率為90%，如果沒有任何限制浪涌電流（Inrush Current）的組件設(shè)計。那么輸入電流的路徑是電源110V經(jīng)過整流二極管再充電至電容，依電源110V當(dāng)輸入電壓在峰值的短暫時間。簡單的用奧姆定律來說I=V/R。V峰值=110*根號2=110*1.414=155.5V。R值為總網(wǎng)絡(luò)阻抗，包含整流二極管的動態(tài)等效阻抗，電容的等效阻抗（ESR）。假設(shè)整流二極管的動態(tài)等效阻抗大約是0.1奧姆來算，電容的等效阻抗（ESR）大約是2奧姆來算。于是I=V/R=155.5/（2+0.1）=74A其瞬間浪涌電流為74A，假設(shè)其t=0.05sec Inrush current =74A。你所使用的保險絲需滿足下列焦耳公式：代入焦耳公式得到的答案等同0.037度，啟動時瞬間耗電量約0.037度，相當(dāng)于連續(xù)使用12秒之電量，自然會減少產(chǎn)品的壽命。計算出來的值焦耳可以用查表如表1的方式來找到適合的保險絲，為了滿足浪涌電流（inrush current）的前題其值遠超過穩(wěn)態(tài)電流（nominal current），可能造成電源有異常時因選擇的保險絲容值超過輸入穩(wěn)態(tài)電流（nominal current） 均值而無法實時切斷（Cut-off） 電源，造成后端組件之永久毀損。圖四 ： 一般保險絲容？選擇表（注1），注1： 本表取自littlefuse產(chǎn)品官網(wǎng)（ /）浪涌電流波形 （Inrush Current Waveform）浪涌電流波形圖4是一個典型的浪涌電流（Inrush current）波形。它有兩個尖峰。第一個浪涌尖端電流峰值是輸入電壓電源（input voltage source） 啟動時產(chǎn)生的。這個峰值電流流入EMI濾波器電容和直流-直流轉(zhuǎn)換器的輸入端電容，并被充電至穩(wěn)態(tài)值（steady state value）。第二個是電流峰值是直流直流轉(zhuǎn)換器啟動時產(chǎn)生的。這個峰值電流通過直流直流電源變壓器流入到輸出端電容器和所有負載電容，充電至穩(wěn)態(tài)值。圖五 ： 典型的浪涌電流波形限制浪涌電流方式一般限制浪涌電流的方式有二種：第一種方式常使用于傳統(tǒng)限制浪涌電流，即被動式限制浪涌電流（Passive Inrush Limiting）。本方法就是在電容前面串聯(lián)一系列組件。如圖5前端的示意圖。串聯(lián)熱敏電阻R1將限制輸入電流，直至輸入電容被充滿。隨后繼電器S1閉合，使電流全部流向下級直流-直流轉(zhuǎn)換器。繼電器線圈能用28V輸入電壓驅(qū)動，因此它將在一定程度上實現(xiàn)自動控制。因熱敏電阻（Thermistor）類似RTD，它們都是電阻，熱敏電阻的電阻隨著溫度升高而降低如圖6是標(biāo)準(zhǔn)的熱敏電阻溫度曲線。故于高溫時因其內(nèi)阻降低對浪涌電流的抑止效果驟降，熱敏電阻和RTD的主要差異在于它們是由金屬氧化半導(dǎo)體材料制成，并披以玻璃或環(huán)氧樹酯。它們也有兩種不同類型，負溫度系數(shù) （negative temperature coefficient；NTC） 與正溫度系數(shù)（positive temperature coefficient；PTC）。NTC熱敏電阻的電阻隨著溫度升高而降低，而PTC熱敏電阻器的電阻則隨著溫度升高而升高。故在設(shè)計中可以將PTC及NTC串結(jié)以減少溫度變化造成阻尼改變的影響。圖六 ： 有效限制浪涌？流的串？阻？路圖七 ： 標(biāo)準(zhǔn)的熱敏電阻溫度曲線再據(jù)交流-直流（AC-DC）電源如圖7為例說明其架構(gòu)及量測出來的inrush current波形，顯示出的EMI X-電容僅為約1.0F，導(dǎo)致浪涌電流主要是內(nèi)部大容量電容器，故需于前端放置NTC電阻來降低其浪涌電流其電流圖如圖89分別依交流115V及230V量測電流的結(jié)果 。圖八 ： 標(biāo)準(zhǔn)的AC-DC內(nèi)置熱敏電阻的電源方塊圖圖九 ： 輸入為AC115V/90。 的電流waveform CH1： Vin （100V/div）， CH2： Iin （10A/div），圖十 ： 輸入為AC230V/90。 的電流waveform CH1： Vin （100V/div）， CH2： Iin （10A/div），第二種就是主動式限制浪涌電流（Active Inrush Limiting），其等效電路如圖10所示。這個電路在電源端負極使用一個MOS場效應(yīng)管（MOSFET）系列器件Q1。Q1通過R2拉低其門限電壓，通常是斷開的。當(dāng)施加輸入電壓時，通過R1為柵極充電。Q1的充電時間和開啟時間將由于C1的存在而減慢。可以選用R1和C1來為輸入電容緩慢充電，來限制浪涌電流。在輸入電容充好后，Q1柵極將會充電，直至被齊納（穩(wěn)壓）二極管（Zener Diode）限制，然后Q1將保持完全開啟。圖十一 ： 有效限制浪涌電流的串聯(lián)晶體管離散電這個電路可以修改為將Q1 放置正極。 P channel MOS場效應(yīng)管或者N channel MOS場效應(yīng)管都可用，但是需使用由充電泵（charge pump）或者隔離供給（isolated supply）來驅(qū)動?xùn)艠O。另外還存在其他一些有效的浪涌限制電路。他們均在輸入電源端使用一些串聯(lián)組件且以幾乎相同的方式發(fā)揮作用。很重要的是一旦輸入電容器被充電，這些裝置應(yīng)被旁路或完全開啟，以限制線阻抗和功率耗損。筆者另外研究了PULS電源采用一個新的方法，即透過延后開啟（Soft start）有效的降低其脈沖充電對電解電容充電的電流，其電路示意圖如圖11透過控制MOSFET對電解電容充電及飛輪二極管放電的有效限制浪涌電流串聯(lián)線路，其量測的結(jié)果如圖12一般采用NTC與采用延后開啟（Soft start）的inrush current波形圖，透過延后開啟有效控制了浪涌電流降至3安培。圖十二 ： 延后開？（Soft start）電路圖圖十三 ： 一般采用NTC 與采用延後開？（Soft start）的inrush current 波形圖浪涌電流量測方式直流浪涌尖峰電流量測需透過直流供應(yīng)器先充飽電容治具，電容治具（電容治具的容值必須大于待測物（DUT）機器內(nèi)部輸入電容值的10倍以上） 。電容治具與待測物間， 需串結(jié)電阻以量測其電壓值來換算成電流值，當(dāng)開關(guān)啟動時就可以取得浪涌尖峰電流，開關(guān)最好使用低Ron值的MOSFET，因使用Relay 或著SSR固態(tài)功率開關(guān)（solid state relay） 會？生彈跳造成量測不準(zhǔn)，其接線方式如圖13浪涌尖峰電流量測接線圖。打開電源供應(yīng)器，先對電容充電，此時開關(guān)應(yīng)為OFF，等待約20秒鐘，打開開關(guān)使DUT開機，并在數(shù)字示波器上擷取到波形。將在數(shù)字示波器擷取到的波形，調(diào)整其電流尺度使其可在畫面顯示出最大尺度，接著量測電壓最大值，電流最大值，以及打開光標(biāo)將游標(biāo)停留至1ms，并儲存波形，其量測的波形如圖14波形圖。測試條件：環(huán)境條件：溫度25相對濕度65測試條件：輸入電壓以產(chǎn)品規(guī)格之全電壓頻率范圍 Min/115Vac/230Vac/Max輸出負載以產(chǎn)品規(guī)格之最大額定電流值量測時必須于輸入之交流電壓在相角90度時，將電源供應(yīng)器開啟，量測其輸出入瞬間電流量冷機和熱機各做一次。結(jié)果判定：不能造成產(chǎn)品組件損壞。圖十四 ： 浪涌尖峰？流量測接？圖圖十五 ： Inrush current 量測波形圖工業(yè)領(lǐng)域業(yè)的規(guī)范在大型電氣系統(tǒng)因考慮系統(tǒng)電力質(zhì)量（PFC） 對浪涌電流（Inrush current）有其一定的限制，在此按大家熟習(xí)的行業(yè)來說明。首先是石化業(yè)者，因其天燃氣管道內(nèi)考慮高危險的氣體可能引爆火花，故油氣及天燃氣設(shè)備除了一律采用密室防爆設(shè)計之外，其在高危險地區(qū)其電容器及電感器前需加入額外抑止浪涌電流的氣密式阻尼加于伺服馬達前端去除可能因浪涌電流造成的耦和放電并塔配濾波電路來消除浪涌和其他瞬態(tài)回流。在軌道產(chǎn)規(guī)范其車體電流容量視其每一輛車體內(nèi)斷路器的規(guī)格而定，據(jù)臺灣高？為例其車體內(nèi)斷路器容量2KVA，一般斷路器分為B，C.D 三種規(guī)格，如圖15依C型斷路器來說其容許浪涌電流（Inrush current）于1msec之后不得超過輸入穩(wěn)態(tài)電流的10倍。為顧慮尖峰電流可能對鄰近的電路產(chǎn)生電磁干擾，或引起逆流電路斷路器跳閘，可考慮使用固態(tài)功率控制器（solid state power controller）來抑止過電流保護失控。圖十六 ： 各型斷路器？格B型斷路器之間的界限必須3至5倍額定電流C型斷路器之間的界限必須510倍額定電流，D型斷路器之間的界限必須1020倍額定電流在軌旁的電氣設(shè)備因其作業(yè)異步為了避免同時啟動造成用電壓力故一般采取分時段分離方式啟動電氣設(shè)備，以降低對用電容量。其它行業(yè)雖然沒有國際標(biāo)準(zhǔn)要求浪涌電流的限制，但依經(jīng)驗？來定義，據(jù)一般自動化產(chǎn)業(yè)規(guī)范為例，其要求浪涌電流（Inrush current）不得超過輸入穩(wěn)態(tài)電流的15倍。據(jù)汽車業(yè)為例，圖16是整理汽車業(yè)對其汽車內(nèi)使用的電器設(shè)備浪涌電流限制的倍數(shù)值，可以從圖17大概了解汽車內(nèi)各機電設(shè)備的架構(gòu)圖，依不同屬性來分類，后端的玻璃加熱器（Window Heating）屬一般電阻式負載其倍數(shù)設(shè)為一，門窗的lock 是采用電磁閥其特性為感抗式負載倍數(shù)設(shè)為一，不同的設(shè)備有其不同的倍數(shù)限制，引擎室內(nèi)的泵馬達其特性為馬達類負載數(shù)倍數(shù)設(shè)為十倍左右。圖十七 ： 汽車內(nèi)機電設(shè)備架構(gòu)圖Brakes and Traction C