2016 八月

用于浪涌电流限制的PTC热敏电阻

始终安全可靠

NTC热敏电阻并不总是电源中的浪涌电流限制器(ICL)的必然选择。在有着特别严格温度和功率要求的应用场合,PTC热敏电阻能够提供更为可靠的防护。爱普科斯(EPCOS) PTC ICL额外的好处是能够提供短路防护能力。

在开启驱动系统、逆变器或电源等电气设备时总会出现大电流,由于过大的浪涌电流会损坏敏感元件如电源中的整流器或者烧坏保险丝,因此需要采取防护措施(图1)。对于浪涌电流的限制有两种基本方式:在电源电路中简单地布置防护设备作为浪涌电流限制器(ICL),或者在浪涌电流峰值消退后使用主动旁路电路。这两种方式也分别被称为被动和主动ICL电路。对于特定应用来说,浪涌电流抑制技术的选择取决于多个因素。最重要的是电源功率、设备遭受的浪涌电流的频率、工作温度范围以及系统成本要求。

图1:使用及不使用ICL时的浪涌电流

浪涌电流限制可以用于防止电流超过临界水平,避免烧坏保险丝或者毁怀整流器。

被动浪涌电流限制

对于额定功率最多为几瓦的小功率电源,最简单实用的浪涌电流限制方案是与负载串联一个普通电阻器。不过对于有着更高额定功率的电源,固定电阻的功率损耗会显著影响整体效率。在这些情况下,NTC热敏电阻用作被动电流限制业已成为标准的ICL解决方案(图2)。

图2:使用NTC ICL的被动浪涌电流限制

NTC热敏电阻一旦受热,其初始时较高的阻值会降低至可忽略不计的水平,这一特性使得NTC ICL在额定功率最高约为500W的电源中成为标准ICL解决方案。

NTC热敏电阻在温度较低时阻值较高,在温度较高时阻值较低。在温度较低的状态,NTC ICL较高的初始电阻能够有效地吸收峰值浪涌电流。由于电流负载的作用以及随之而来的自热作用,ICL阻值接着会降低为其室温阻值的百分之几。这一特性能够减小ICL在连续运行下的功率消耗,因此NTC ICL可以在电容器完全充满电后仍留在电路中。最后,使用NTC ICL的成本较低,方案也易于实现。

专注于更高功率水平应用的低损耗解决方案

电源的设计越来越集中于尽可能地消除功率损耗。一旦额定功率超过越500W,被动电路解决方案的缺点就变得非常明显。如果ICL总是与负载串联,则其带来的功率损耗会非常大。设备的额定功率越高,典型工作时间越长,附带功率损耗便越明显。假设NTC ICL的功率损耗占设备总功率的1%,电源的效率为92%,则大约12.5%的总损耗都是由NTC引起的。

主动浪涌电流限制

因此对较高的功率水平,标准的做法是一旦浪涌电流峰值已经消退便使用继电器或可控硅旁路ICL。根据应用要求的不同,主动浪涌电流限制电路可以采用功率电阻、NTC热敏电阻或PTC热敏电阻(图3)作为ICL部件。比如PTC热敏电阻经常用于混合动力或电动汽车的插入式车载充电器(OBC),此类充电器的额定功率通常达到了几千瓦。虽然主动浪涌电流限制的益处对于额定功率大于500W的情况下才最为明显,不过该方法对于提高较低功率水平应用的性能可能也是必要的。尽管主动浪涌电流限制自身系统成本稍微偏高,但是对于较低的额定功率应用,其可以减少功率损耗,而且可以采用相对便宜的额定值较小的开关和半导体器件。

图3:主动浪涌电流限制

在主动浪涌电流限制应用中,可以使用普通电阻、NTC热敏电阻或PTC热敏电阻作为ICL部件。

何时适宜采用PTC热敏电阻作为ICL

在某些应用中,使用PTC热敏电阻作为ICL可提供优异的性能。NTC ICL在电源打开时的阻值取决于环境温度。在较低的环境温度下NTC热敏电阻的阻值会比较高,导致充电电流较低、充电时间较长。而另一方面,较高的环境温度会限制NTC ICL抑制浪涌电流的能力,因为NTC热敏电阻已经处于低阻状态。这种温度依赖性会对部分应用,特别是工作温度范围较宽的应用造成问题。比如,在北方冬季使用的户外电源,可能永远难以升得足够热以使电阻值降得足够低。

相反,热水循环泵在启动时可能已经很热了,这会使得NTC热敏电阻无法限制浪涌电流。在系统关闭后,NTC热敏电阻的冷却时间通常在30S至120S间变动,具体时间取决于特定的设备、安装方式以及环境温度。仅当NTC ICL完全冷却后才能够再次限制充电电流。在很多情况下,该冷却时间已经足够快;但是有时在NTC充分冷却之前便需要对浪涌电流进行有效的限制。这可能出现在直流母线电容器的快速放电中,在逆变器驱动的家用电气如新型洗衣机和烘干机中便会出现这种情况。在短暂的断电之后必要的冷却时间是非常关键的。因此,主动浪涌电流限制设计必须总是考虑到所有可能的NTC ICL仍在低阻状态时浪涌电流峰值出现的情况。在这两种情况下,爱普科斯(EPCOS) PTC热敏电阻都可以提供有效的浪涌电流限制方案。

内置自我保护功能

在正常的工作条件下,PTC ICL作为一个普通电阻使用。当电源打开,元件温度与环境温度相同时,PTC ICL依型号不同阻值在20 Ω至500 Ω之间变动。这已足够限制浪涌电流峰值。一旦直流母线电容器完全充电,PTC ICL便被旁路掉。

如果充电电路出现故障,PTC热敏电阻的特殊功能便可发挥作用保护电路。当电流通过该元件,PTC热敏电阻温度会升高,阻值也会显著增加。因此,得益于其自保护功能,PTC热敏电阻在以下失效模式下有着先天的优势:

– 电容器短路
– 当直流母线电容器充电后电流限制元件未被旁路(开关元件失效)。

所有这些失效模式都有一个共同点:电流限制元件受到热应力。有两种方式可以保证ICL元件不会在类似情况下损坏:使用一个具有足够额定功率的功率电阻或者使用PTC热敏电阻。爱普科斯(EPCOS) PTC ICL的设计使得其在直接连接至最大额定电压的供电电压时也能工作,且无需额外的电流限制措施,因为PTC ICL具有自保护功能。在出现过大电流如短路的情况下,PTC温度会升高,从而导致其阻值显著上升,这样PTC热敏电阻自己便可以将电流限制至非临界水平(图4)。

图4:电容器短路时的电流曲线

如果出现了电容器短路情况,通过PTC陶瓷电阻的电流会迅速下降至非临界值(蓝色)。不过,若使用普通电阻,电流会维持在较高的恒定值(红色)。

爱普科斯(EPCOS) PTC热敏电阻在一些应用中作为主动浪涌电流限制的ICL元件有着一些关键优势:

– 其ICL功能不会受到极端工作温度的影响。
– 一旦负载关闭便可以实现有效的浪涌电流限制,冷却已经在正常工作时进行。
– 对由电路故障引发的电流过载有着自保护功能。

得益于爱普科斯(EPCOS) ICL广泛的产品组合,您可在苛刻的温度条件下,实现对电源高浪涌电流和短路的可靠保护。下表所示为PTC ICL一组具有代表性的选型,包括在样品套装“浪涌电流限制器-自保护功率电阻“中(订购编号B59003Z0999A099)。

酚醛树脂塑料外壳

爱普科斯(EPCOS) PTC ICL的关键数据

订购编号Vmax
[V AC]
Vlink, max.
[V DC]
RR
[Ω]
Cth
[J/K]
是否包含在
样品套装中
是否有
AEC-Q200
认证
包含在塑料外壳中
B59213J0130A020            280400331.1x
B59215J0130A020280400222.3xx
B59217J0130A020400620562.3xx
B59219J0130A0205608001002.3xx

B59105J0130A020

280400222.3
B59107J0130A020440620562.3
B59109J0130A0205608001002.3
带引脚圆盘式,有涂层
B59770C0120A070260370700.4
B59771C0120A0702603701200.6
B59772C0120A0702603701500.6
B59750C0120A070280400251.0xx
B59751C0120A070280400501.4x
B59752C0120A070280400801.4
B59451C1130B070440620562.1xx
B59753C0120A0704406201201.4x
B59754C0120A0704406201501.4x
B59773C0120A0704406205000.6x
B59774C0115A07044062011000.6
B59412C1130B0704806801202.1xx
B59755C0115A0705608005001.4

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