Статии, Пусков ток в DC
Джеръми Ферел, Мениджър дизайн за стандартни продукти във VPT, Inc.
Въведение
Пусковият ток е пиковият ток, който възниква във веригите на захранването при включване. Фигура 1 показва типична система за захранване. Входният филтър за електромагнитни смущения (EMI филтър) включва кондензатор, който е свързан към входната линия. DC/DC преобразувателят също има кондензатори, които са свързани на входа и изхода. Освен това към товара може да се свърже допълнителен кондензатор. Всеки от тези кондензатори изисква заряден ток, за да осигури правилното ниво на напрежение за стабилна работа. Този ток е началният ток.
Високият пусков ток зависи от избраните специфични елементи на веригата. Има проблем, че големите токови удари могат да създадат електромагнитни смущения в съседни вериги и да задействат (активират) защитни елементи на веригите нагоре по веригата, като предпазител или твърдотелна защита от свръхток.
Крива на стартовия ток
Типична крива на пусковия ток е показана на фигура 2. Тя показва два пикови тока. Първият скок в стартовия ток се отбелязва, когато източникът на входно напрежение е включен. Този пиков ток протича през EMI филтърните кондензатори и входния кондензатор на DC/DC преобразувателя, като ги зарежда до нивото, необходимо за стабилна работа. Вторият скок на тока се наблюдава, когато DC/DC преобразувателят е включен. Този пиков ток протича през силовия трансформатор на DC/DC преобразувателя и изходния кондензатор и на свой ред ги зарежда до нивото, необходимо за стабилна работа.
Пусков ток
Първият токов пик често се нарича начален пик. Неговият връхстойността и формата са силно зависими от характеристиките на входното захранване, времето за нарастване на напрежението и съпротивлението на захранването. Рязко нарастващата флуктуация на входното напрежение, както в случай на затваряне на стартов превключвател, ще съответства на висока и тясна пикова крива. По-бавно и плавно нарастване на входното напрежение, като изхода на всяко входно електронно устройство или кондензаторна банка, ще съответства на по-мек пик.
Пиковият пусков ток се дава от i=Cxdv/dt, където C е капацитетът, общото съпротивление на EMI филтъра и входното съпротивление на DC/DC преобразувателя, а dv/dt е наклонът на напрежението. Текущият пик се улавя само веднъж, ако източникът на входно напрежение има много бързо време за възстановяване на напрежението. За да направите това, източникът трябва да има достатъчен резерв на мощност. По правило рязка промяна на напрежението възниква само в случаи на механично превключване на товара или затваряне на релето. Ако източникът на захранване е превключващ преобразувател, полупроводников контролер на мощността или кондензаторна банка, тогава продължителността на импулса ще бъде по-дълга. Превключващите преобразуватели обикновено имат ширина на импулса на изходното напрежение от няколко милисекунди, твърдотелни регулатори (SSPC) обикновено 50 µs-500 µs, а големи кондензаторни батерии обикновено най-малко няколко милисекунди. Такова дълго покачване на напрежението няма да доведе до образуване на високи пикове. Също така е важно да се определи не само пиковият ток, но и скоростта на нарастване на тока, за да се определи дали предпазителят нагоре по веригата, прекъсвачът и SSPC ще бъдат задействани от пусковия ток.
Пусков ток
Вторият токов пик приФигура 2 също е важна част от стартовия ток. Този скок се отбелязва, когато DC/DC преобразувателят се включи и изпрати ток от входа, за да зареди своя изходен кондензатор и кондензатора за натоварване. Типичните криви на тока на включване са показани на фигура 3. Токът на включване остава същият, независимо дали преобразувателят е включен от входно напрежение или от управляващ сигнал.
VPT DC/DC преобразувателите използват патентована магнитна верига за обратна връзка със строг контрол на вътрешния цикъл на стартиране и прецизно и гладко изходно напрежение. Плавното захранване с напрежение осигурява контролирана промяна в изхода и по-нисък наклон на dv/dt. Поради мекия старт, входният ток обикновено не надвишава стационарния входен ток на инвертора по време на старт.
VPT DC/DC преобразувателите също така разполагат с непрекъснато ограничение на изходния DC ток. Те доставят пълното количество номинален ток към източника на натоварване и не отказват или изключват, за да изискват рестартиране. Това им позволява да работят с всеки кондензатор за източник на натоварване, независимо от капацитета. Ако се използват много големи капацитивни товари, DC/DC преобразувателят влиза в режим на ограничаване на тока. В този случай входният ток не трябва да надвишава 1,5 пъти номиналния работен ток. Това е достатъчно, за да не причинява смущения и/или да активира защитни устройства на входа. Вторият пусков ток не влияе неблагоприятно на DC/DC преобразувателите като част от дизайна на системата.
Лимит на активен скок
В някои случаи е необходимо да се ограничи скокът на тока, преминаващ към входните кондензатори. Единственият начин да направите това евключете сериен елемент пред кондензаторите във веригата. Фигура 4 показва основна верига за ограничаване на ударния ток. Серийният резистор R1 ограничава входния ток, докато кондензаторите се заредят достатъчно. След като входните кондензатори се заредят, релето S1 се затваря и пълното количество ток се подава към DC/DC преобразувателя.
За ограничаване на стартовия ток може да се използва и дросел. Това решение не изисква байпасна верига, тъй като постоянният ток протича през нея с ниски загуби. Въпреки това, като правило, е необходима голяма индуктивност, за да се ограничи ефективно пусковият ток. Трябва да се внимава, тъй като индукторът може да образува резонансна верига с входния филтър или с вътрешната обратна връзка на DC/DC преобразувателя, причинявайки нестабилност на системата. Обикновено е необходимо да се инсталират допълнителни компоненти, за да се намали полученият резонанс.
Друга обща схема е показана на фигура 5. Тя използва серия MOSFET VT1. Транзисторът VT1 обикновено е в изключено състояние, докато към портата се прилага ниско напрежение през резистора R2. Когато се приложи входното напрежение, портата се захранва през R1. Времето за включване на транзистора VT1 е ограничено от времето за зареждане на кондензатора C1. Стойностите на R1 и C1 са избрани така, че входните кондензатори да се зареждат бавно, като същевременно се ограничава стартовият ток. След зареждане на входните кондензатори, портата на транзистора VT1 се захранва до такава стойност, докато не бъде ограничена от ценеровия диод. В този случай транзисторът VT1 остава напълно включен.
Тази схема може да бъде променена чрез свързване на транзистора VT1 към плюса на захранващия проводник. Мощността може да бъде доставенапо подобен начин чрез използване на P-канал MOSFET. Също така е възможно да се използва N-канален MOSFET, но с порта, захранван от генератор или отделно захранване. Има много други схеми за ограничаване на пусковия ток. Всички те използват серийно устройство в първичната верига и работят почти по същия начин. Важно е всеки път, когато зареждането на кондензаторите приключи, серийното устройство да бъде шунтирано или напълно включено, за да се намали съпротивлението и загубата на мощност. Също така е важно контролът на пусковия ток да не причинява шум или смущения във входната линия, както се прави преди EMI филтъра.
Входни модули с ограничение на пусковия ток
Много VPT входни модули имат вградено ограничаване на пусковия ток (таблица 1). Всеки модул използва сериен N-канален MOSFET, свързан към плюса на захранващия проводник. N-каналният MOSFET осигурява най-ниското съпротивление във включено състояние, за да минимизира загубата на мощност. Свързвайки го към плюса на захранващия източник, връщащата верига остава затворена, което опростява дизайна на системата. В такива модели MOSFET се използва за две цели. Той също така осигурява защита на входното напрежение по време на преходни условия.
Моделите DV-704A и DVMN28 включват EMI филтър и ограничаване на пусковия ток. И двете схеми са оптимизирани да работят заедно. Веригата на пусковия ток ограничава всеки ток, протичащ в EMI кондензаторите, но не причинява допълнителни EMI към входните линии, както могат дискретните вериги. VPTPCM-12 включва верига за управление на пусковия ток, която ограничава пусковия ток.ток на кондензаторите на този модел и на кондензаторите в товара. Но също така има превключватели, които може да изискват допълнителни EMI филтри на входа.
Заключение
Пусковият ток е пиковият ток, който възниква при подаване или включване на напрежение. В някои случаи може да се наложи да се ограничи токовият удар във входните кондензатори. Това налага изграждането на допълнителна верига. А с VPT DC/DC преобразуватели, много енергийни системи ще отговарят на необходимите изисквания, без да се изгражда специално решение за ограничаване на пусковия ток, което ще опрости веригата, ще намали броя на елементите, размера и цената на компонентите, като същевременно ще повиши надеждността и ефективността на устройството.
Вадим Дроздов, технически специалист
Изграждането на висококачествени многостепенни и многоканални енергийни системи изисква инженерите и проектантите да решат проблема с минимизирането на отрицателното взаимно влияние на сложните преходни процеси в момента на включване на системите. В резултат на това става необходимо да се съпоставят натоварванията, да се филтрират смущенията до приемливо ниво, за да се осигури стабилна работа на устройствата при тежки условия на работа.
Силовите модули VPT успешно решават този проблем, а изградените на тяхна база енергийни системи в продължение на много години осигуряват надеждна работа на най-сложното бордово и научно оборудване в космическите програми на Роскосмос, НАСА и ЕКА.