[发明专利]有源浪涌电流控制电路

说明书

所属技术领域：

本专利涉及控制用电设备从直流电源母线或者远程直流供电系统取电过程中所产生的浪涌电流。

背景技术

在分布式电源应用系统中，系统功能由多个电路子板集合完成，所有子板通过公共背板进行信号交换、从背板直流母线获取工作电源。为了保证系统的可靠性和可用性，要求系统中任何一个子板失效需要去除时、或者需要维护进行替换时、或者新增功能子板时，可以在线进行操作，而不需要将整个系统关机。新的子板插入系统背板进行取电的过程中，母线首先对单板电源输入端储能电容两端的电压充电，将其电压升高至与母线电压系统相同。如果没有适当的电流限制手段，由于储能电容的容量大-通常几十微法拉到几万微法拉、等效内阻较小-通常几十毫欧到几欧姆，导致插入瞬间充电电流非常大，称之为浪涌电流。浪涌电流可能导致直流母线电压瞬间跌落较大幅度，使得其它子板复位、重新启动；或者导致接插件损坏，新增子板不能正常工作；或者导致母线供电电源过流保护被触发动作，使得整个系统重启、中断服务。

由于成本、布线或者电力分配等等原因，某些工作现场不能为用电设备直接提供电源，远程直流供电成为选择，典型如以太网供电技术。远端用电设备为了保证自身正常运行，其电源输入端安装了相应的储能电容。如果不加以控制，在上电的过程中对储能电容充电时的浪涌电流同样可能造成供电设备过流保护启动，或者由于浪涌电流作用在远程供电线路的分布感抗上，感应非常高的瞬间高压，导致用电设备损坏。

为了限制浪涌电流，最简单的方案是在线路中串联一只负温度系数(Negative TemperatureCoefficient)的热敏电阻(简称NTC)，在冷态时由于电阻阻值较大几欧姆到几十欧姆，限制了浪涌电流最大值；正常工作是，由于自发热缘故，其温度上升，电阻值下降到只有冷态条件下的1/3～1/2左右，功率损耗降低。但是这种方案体积、功率损耗较大，并且在快速重复插入的状态下-比如接插件接触不良时而导致的触点反复接触，由于NTC电阻温度下降较慢，NTC电阻仍然处于非常小阻值的状态，所以第二次或者第三次起不到限流作用。

第二种方案就是采用继电器和NTC电阻并联，NTC电阻作用和前述一致。当用电设备处于稳态工作条件时，继电器短路NTC电阻，直接连接供电电源和用电设备。用电设备处于稳态工作条件时，由于继电器的导通电阻只有几十毫欧，相比于NTC而言整体功率损耗减小；同时由于NTC没有自发热，在一定条件下可以避免在快速重复插入的状态下的浪涌电流限制。这种方案缺点是整体电路体积更大，还需要额外的继电器控制电路。

第三种方案就是采用有源器件主要是金属氧化物场效应晶体管(以下简称MOSFET-Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor)作为开关器件，MOSFET的漏极(D-Drain)连接到储能电容，源极(S-Source)连接到电源母线或者远供电源的输出端，栅极(G-Gate)作为控制端。

在MOSFET的Vgs小于阀值电压Vgs(th)之前，栅极控制电路对固有的栅源电容Cgs和栅漏电容Cgd充电，MOSFET不导通，DS两端无电流，Vds等于输入电压；当Vgs达到Vgs(th)之后，MOSFET开始导通，Vds开始下降，Cgd开始放电而且随Vds下降而增大，由于栅极控制电路是不会提供足够维持Cgd放电所需的电流，所以Vgs电压上升非常缓慢几乎维持不变，流过MOSFET给储能电容充电电流Id受控于Vgs电压上升速度，这个过程中Cgd的工作效果称作密勒效应(Miller Effect)，Cgd也称之为密勒电容；当Vds＝0时栅极控制电路无需继续给Cgd提供放电电流，Vgs快速上升，MOSFET完全导通。

从上所述由于MOSFET的id正比于Vgs的上升速率，所以通过控制MOSFET的Vgs上升过程，可以限制供电电源对储能电容充电电流，达到消除浪涌电流的目的。当用电设备处于稳态工作条件时，MOSFET完全导通由于MOSFET的导通电阻Rds(on)在几毫欧到几百毫欧之间，功率损耗非常小。

当前的控制方案利用并强化Cgd密勒效应作用，在G、D之间增加额外的电容和电阻串联电路以确保Vgs以较慢速率上升，从而控制Id电流幅度；另外为了对Id进行闭环电流控制，使用外部采样电阻对Id进行采样、处理，确保Id不超过某个设定值。

此方案中额外的密勒阻容电路增加了电路元件数量，且其耐压必须满足电路工作电压，当输入电压较高时体积比较大。