基于MOSFET適用于母線開關(guān)的浪涌抑制電路

張 偉，張?zhí)┓澹?偉，李文華

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

基于MOSFET適用于母線開關(guān)的浪涌抑制電路

張 偉，張?zhí)┓?，?偉，李文華

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

依據(jù)MOSFET功率開關(guān)管可工作于線性區(qū)，其寄生電容參數(shù)值會影響MOSFET開關(guān)特性的固有屬性，提出一種基于MOSFET適用于航空航天母線開關(guān)的浪涌抑制電路。通過MOSFET外圍稍加電阻電容器件等同于改變MOSFET的寄生電容，使其開關(guān)特性曲線改變。當(dāng)母線開關(guān)接通時，由于電源輸入端濾波電容的影響，將出現(xiàn)浪涌，此時使MOSFET開關(guān)管工作于線性區(qū)，通過MOSFET的恒流作用，達到為后端容性負載充電，從而起到抑制浪涌的作用。通過原理分析、電路仿真及實驗驗證，表明該電路能夠作為母線開關(guān)同時有效起到浪涌抑制作用。

MOSFET；母線開關(guān)；浪涌抑制

隨著我國工業(yè)化的不斷發(fā)展，開關(guān)電源的應(yīng)用越來越廣，無處不在，如手機充電器、電腦電源、車載電源、通信電源及航空航天電源等。開關(guān)電源在向體積小、質(zhì)量輕、效率高方向發(fā)展的同時，也在不斷提高EMC和可靠性的要求。為了提高電源EMC要求，絕大多數(shù)的電源在電源輸入端設(shè)計了輸入濾波器[1]，因此輸入濾波器的設(shè)計是開關(guān)電源設(shè)計的重要組成部分之一，同時為了可靠性的要求，希望故障的電源或電路與一次能源母線可以實現(xiàn)隔離，因此希望電源輸入端增加一個母線開關(guān)。對于航空航天電源或大功率電源對EMC要求更嚴格，可靠性也要求更高，因此希望輸入端增加一個母線開關(guān)，同時為了提高EMC的要求，濾波器的設(shè)計中往往電容比較大。在開機瞬間，即母線開關(guān)接通瞬間，由于輸入端濾波電容處于尚未充電的初始狀態(tài)，供電母線開關(guān)接通瞬間便會產(chǎn)生很大的浪涌電流值。這不僅對電路中的元器件帶來很大瞬時應(yīng)力，造成元器件受損，還會對掛接在同一供電母線上的其他用電設(shè)備產(chǎn)生較大瞬時干擾。

為此，本文提出了基于MOSFET母線開關(guān)的浪涌抑制電路，此電路外圍器件少，只有極少的電阻、電容及MOSFET開關(guān)管，不僅具有母線開關(guān)的功能，還可以在電源啟動瞬間起到浪涌抑制作用，如果電阻、電容及開關(guān)管滿足航空航天等級，也可用于航空航天的母線開關(guān)浪涌抑制電路。

1 設(shè)計實現(xiàn)依據(jù)

1.1 目前常用方案

目前較為常用的浪涌抑制電路方案主要有：(1)繼電器配合限流電阻；(2)使用負溫度系數(shù)特性的熱敏電阻；(3)SCR配合限流電阻；(4)使用壓敏電阻；(5)TVS瞬態(tài)抑制二極管[2]。方案(1)是在供電母線與容性濾波器之間串入限流電阻，在母線開關(guān)接通時，供電母線通過限流電阻給后端容性濾波器電容充電，在達到一定電壓值后，再通過并聯(lián)的繼電器短路限流電阻。方案(2)是利用負溫度特性熱敏電阻在常溫時電阻值大，當(dāng)接入母線后由于熱耗，使得其溫度升高，此時電阻阻值變小，功耗變低，達到熱平衡。此方案由于熱敏電阻長期處于熱耗狀態(tài)，同時受環(huán)境溫度影響較大，因此可靠性不高。方案(3)與方案(1)類似，只是當(dāng)濾波器電容充電到一定值后，通過SCR器件短路限流電阻，SCR接入母線。方案(4)和方案(5)只適用于浪涌時間極其短暫、能量較小的浪涌抑制[2]。上述幾種方案雖然可以起到浪涌抑制的作用，但是都不能實現(xiàn)母線開關(guān)的作用，方案(1)如果斷開并聯(lián)的繼電器，就會使限流電阻再次接入母線，需要邏輯順序控制兩個繼電器協(xié)調(diào)工作。方案(3)如果斷開SCR，同樣發(fā)生限流電阻再次接入母線，同時長期工作時，SCR由于壓降比較大，功耗也大。

1.2 MOSFET寄生電容及開關(guān)過程

MOSFET是電壓控制型器件，可以用圖1所示電路等效，其中GS、GD及DS分別為MOSFET柵源電容、柵漏電容(米勒電容)及漏源電容，是MOSFET的寄生電容，固有屬性。它們可以從數(shù)據(jù)手冊中查得[3]。寄生電容會影響MOSFET的開關(guān)速度。

圖1 MOSFET寄生電容等效電路

由于MOSFET的結(jié)構(gòu)及引線影響，在MOSFET加工完成后會產(chǎn)生寄生電容，因此在應(yīng)用中特別注意寄生電容對開關(guān)波形的影響。圖2所示是MOSFET的開通過程，同時描述了開通過程中MOSFET的門極電壓GS、漏源電壓DS和漏極電流D的過程變化。

圖2 MOSFET開通過程與GS、DS和D波形

MOSFET的開通過程可分為以下四個階段：

0至1階段，門極電壓GS由0 V逐漸上升至開通閾值電壓GS(th)，在此階段，MOSFET的DS不變，D等于0。

1至2階段，門極電壓GS由開通閾值電壓GS(th)上升至平臺電壓(米勒電壓)M，門極電壓為柵源寄生電容GS充電，在此階段，MOSFET開始導(dǎo)通，進入線性區(qū)，DS基本不變，D由0開始上升至D(MAX)。

2至3階段，門極電壓GS保持不變，門極電壓為米勒電容GD充電，在此階段，MOSFET仍處于線性區(qū)，DS近似線性下降至D×DS(ON)值，D處于恒流值不變。

3至4階段，門極電壓GS由米勒平臺電壓M繼續(xù)上升，在此階段，MOSFET退出線性區(qū)，進入完全飽和導(dǎo)通階段，DS為負載電流與通態(tài)電阻DS(ON)的乘積，D為負載電流L。

MOSFET實際應(yīng)用中，多處于高速開關(guān)狀態(tài)，因此2至3時間階段只有百納秒級，如果將MOSFET作為母線等保護開關(guān)，MOSFET就不需要工作于高速開關(guān)狀態(tài)，因此通過增大米勒電容GD，使MOSFET工作于2至3階段的時間達到幾十毫秒，即在MOFFET的漏極與柵極間并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娙?。如圖1所示電容，等同于GD電容變大，通過圖2 MOSFET開通過程描述，可知MOSFET工作在此階段可以使D電流為近似恒流狀態(tài)，達到抑制浪涌和為后端濾波器或容性負載預(yù)充電的目的，這就是本文所提出的基于MOSFET母線開關(guān)的浪涌抑制電路。此電路不僅利用MOSFET通態(tài)電阻DS(ON)低，可用于母線開關(guān)，同時解決了母線開關(guān)接入濾波器或容性負載時抑制浪涌的作用。

2 仿真和實驗驗證

2.1 電路設(shè)計及驗證模型

如圖3所示虛線框A區(qū)域為本文所設(shè)計的基于MOSFET母線開關(guān)的浪涌抑制電路，B區(qū)域采用一個功率電阻RL和大容量電容CL模擬通常的DC/DC電源輸入端的容性濾波器或其它母線開關(guān)之后的容性負載。圖3整體電路是為了驗證MOSFET是否能起到浪涌抑制的驗證電路。從圖中可以知道，MOSFET作為母線開關(guān)，如果單純作為母線開關(guān)，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通瞬間，輸入端2 000 μF大電容會瞬間釋放能量通過MOSFET至負載電容CL，此時MOSFET會被瞬間大電流損壞，同時母線上會產(chǎn)生上百安培的浪涌電流。通過如圖3所示A區(qū)域中MOSFET開關(guān)管、電容C1、電阻R1、電阻R2及電阻R3組成的浪涌抑制電路，不僅使MOSFET具有母線開關(guān)的功能，同時由于R1與C1的作用等同于增大了MOSFET的米勒電容GD，促使MOSFET工作于線性區(qū)的時間延長至幾十毫秒，完成對MOSFET母線開關(guān)之后濾波器或容性負載電容的恒流充電，從而使MOSFET母線開關(guān)能夠起到浪涌電流抑制作用。

圖3 驗證基于MOSFET母線開關(guān)的浪涌抑制電路圖

2.2 仿真驗證

圖4所示是對圖3驗證電路的仿真。母線電壓 為100 V，由圖3可知初始態(tài)GS=0 V，DS=100 V，D=0 A。當(dāng)MOSFET接通12 V電平后，MOSFET開關(guān)管開始導(dǎo)通，GS出現(xiàn)40 ms的平臺電壓，此時DS由100 V線性逐漸降低，采樣電流D最大值1.4 A，之后1.2 A恒流狀態(tài)為負載電容L充電直至100 V(L=-DS)。通過仿真證明了基于MOSFET的浪涌抑制電路能夠很好地起到抑制浪涌電流的作用。

圖4 驗證電路仿真圖

2.3 實驗驗證

經(jīng)過對驗證電路的仿真，證明通過改變MOSFET的寄生電容，主要是米勒電容GD的容值增加，使MOSFET在線性區(qū)的工作時間延長至幾十毫秒，使MOSFET的漏源電壓DS近似線性下降，D電流工作在恒流狀態(tài)，抑制了浪涌的產(chǎn)生。圖5所示是對圖3驗證電路的實驗，對母線電壓分別為50、100及150 V的情況進行了實驗。從實驗波形圖中得知，隨著母線電壓的升高，米勒平臺的時間30、40 ms延長至45 ms，D電流0.8、1.2 A至1.6 A，DS近似線性下降至D與DS(ON)的乘積。母線電壓升高，米勒平臺時間延長，是由于MOSFET的米勒電容GD在開通時，隨母線電壓升高會變大。

圖5 驗證電路實驗波形圖

3 結(jié)論

通過仿真和實驗證明了基于MOSFET母線開關(guān)的浪涌抑制電路，能夠很好地起到母線開關(guān)抑制浪涌電流的作用。所設(shè)計電路外圍器件只有少數(shù)電阻電容器件，電阻電容及MOSFET的等級決定了此電路可以應(yīng)用的領(lǐng)域。同時經(jīng)過驗證電路的實驗，此電路適用于母線開關(guān)后端接有大容值濾波器或容性負載電路的浪涌抑制。本文提出的基于MOSFET的母線開關(guān)浪涌抑制電路方案功耗低、電路易于實現(xiàn)、控制電路簡單同時解決了母線浪涌電流問題。

[1]趙同賀.開關(guān)電源設(shè)計技術(shù)與應(yīng)用實例[M].北京：人民郵電出版社，2007:47-51.

[2]漆逢吉.通信電源系統(tǒng)[M].北京：人民郵電出版社，2008:70-71.

[3]劉勝利.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001:83-86.

《燃料電池設(shè)計與制造》

本書從系統(tǒng)工程、系統(tǒng)設(shè)計角度而非深奧的電化學(xué)、熱力學(xué)理論角度，結(jié)合實際案例，介紹了燃料電池的基本概念、系統(tǒng)組成和系統(tǒng)分類，描述了燃料電池涉及的主要基礎(chǔ)理論知識和關(guān)鍵技術(shù)，從工程應(yīng)用角度說明了燃料電池的工作條件、堆的結(jié)構(gòu)與設(shè)計、流道設(shè)計和材料要求等，提出了用于表征燃料電池關(guān)鍵性能的主要指標(biāo)，論述了如何對系統(tǒng)進行建模與設(shè)計。

Surge suppression circuit for power bus switching based on MOSFET

MOSFET could be used in the linear working region.The switching performance was effected by the parasitic capacitance of the MOSFET.Based on the above feature,a surge suppression circuit was proposed for the power bus switching in the area of aircraft.By adding a few resistors and capacitors around the MOSFET,the parasitic capacitance and the switching characteristic were changed.When the power bus was switched on,a inrush current occur for the filtering capacitor in the input port.Since the MOSFET working in the linear region,the capacitor load in the output port was charging for the constant current function of MOSFET. Thus, the surging could be suppressed. The effectiveness of the proposed circuit was demonstrated by principle, circuit simulations and experimental results.

MOSFET;BUS switching;surge suppression

TM 56

A

1002-087 X(2015)10-2222-03

2015-03-20

張偉(1981—)，男，山西省人，碩士生，工程師，主要研究方向為電路與系統(tǒng)及電源。