预充电电路设计与应用

1.冲击电流

在电源接通的瞬间，如果没有预充电电路，交流电经过二极管整流会变成高压直流电加到电容器两端，从而形成很大的瞬时电流，如图3-8中虚线波形所示，这个瞬时超大电流又称为冲击电流，如此大的电流冲击尖峰对器件来说是无法接受的，可能损坏器件并对电网造成干扰。因此，通常情况下，都要设计预充电电路，它可以在上电瞬间抑制电流，实现无冲击，如图中实线波形所示。

图3-8 冲击电流示意波形

2.预充电电路

伺服驱动系统中常见的预充电电路是由继电器、限流电阻及相应的控制回路组成的，如图3-9所示。电源接通时，三相交流电整流后，经过限流电阻对电容C充电，当母线电压达到一定值时，控制I/O发出低电平信号，光耦合器OC导通工作，触发继电器K动作，触点K₁吸合，旁路掉限流电阻，完成瞬时防冲击电流的功能。电路很大程度上抑制了尖峰电流的产生，有效地降低了冲击电流。电容器充电结束后，限流电阻消耗的能量与电容所充的能量相当，由于充电过程很快（约几十个毫秒），使得电阻瞬间产生比较大的温升，如果这个限流电阻选择不当，就可能会被烧坏，或者它的体积会很大。

图3-9 预充电电路

3.限流电阻的选择

电阻消耗的能量与转化成热能消耗掉的能量具有下面的关系：

W_R=γmΔt （3-5）

式中 W_R——电阻耗能；(www.xing528.com)

γ——电阻材料比热容；

m——电阻质量；

Δt——冲击后电阻的温升。

又因为

m=ρV （3-6）

式中 ρ——电阻材料密度；

V——电阻体积。

将式（3-6）代入式（3-5）得到

W_R=cρVΔt （3-7）

由上式分析可知，电路中若选择热容量大的电阻作为限流电阻，电阻的体积将可以减小，温升也会受到限制。因此，选择限流电阻的关键参数是热容量而不是散热功率，或者说，不仅要考虑热耗散常数，更要考虑材料的比热容。

目前，功率型NTC热敏电阻能够承受较高的工作温度，在抑制冲击电流方面优于普通的功率电阻，是个不错的选择。NTC热敏电阻是一种具有负温度系数的热敏电阻，即随着温度的升高，阻值将下降。在选择功率型NTC热敏电阻时，原则是选择热耗散常数和时间常数乘积大的，这样选择的NTC热敏电阻的热容量大，所承受的电流密度低，因而不会烧毁热敏电阻。关于NTC热敏电阻的阻值，在满足温升条件下选择阻值较小的，保证上电时间；NTC热敏电阻的最大稳态工作电流参数可以不用考虑，因为预充电电路在完成冲击电流的抑制后，母线电流由继电器触点K₁流向负载，而NTC热敏电阻被旁路。