預(yù)充電線路電阻設(shè)計(jì)選型實(shí)例

蚌埠市雙環(huán)電子集團(tuán)股份有限公司 安徽省昌盛電子有限公司 陳 林

在變頻器，汽車電控系統(tǒng)，電機(jī)控制器，電池管理系統(tǒng)等等電子設(shè)備內(nèi)，直流母線上必須設(shè)計(jì)預(yù)充電電路，以吸收脈沖電流保護(hù)線路。而此設(shè)計(jì)的原理為：在直流母線上存在大電容的電路內(nèi)，電容并聯(lián)在電源兩端，在瞬間上電時(shí)，電容兩端沒(méi)有電荷，只有很低的殘留電壓，上電時(shí)電壓不能突變，而電流會(huì)發(fā)生突變，相當(dāng)于電容直接短路，從而導(dǎo)致電路的短路。如果此時(shí)沒(méi)有預(yù)充電線路的參與，短路的大電流會(huì)對(duì)橋堆芯片等其他元件造成不可逆損傷，導(dǎo)致元件失效。所以，預(yù)充電電路的存在，吸收了上電瞬間的短路能量，限制了上電短路電流，保護(hù)了其他元件。那么，在預(yù)充電電路中，根據(jù)充放電時(shí)序周期及電壓電容大小，作為吸收脈沖使用的電阻又如何選型呢？接著，我們看以下預(yù)充電電路內(nèi)電阻設(shè)計(jì)選型的實(shí)例。

以下為客戶設(shè)計(jì)的預(yù)充電線路：

項(xiàng)目：預(yù)充電電路內(nèi)電阻試驗(yàn)驗(yàn)證策劃

應(yīng)用耐久性需求：

（1）將試驗(yàn)電阻、恒壓源等按照?qǐng)D1進(jìn)行連接；

（2）恒壓源U=420V；DUT為試驗(yàn)電阻；Rd為放電電阻（確保1S內(nèi)電容放電完成）；S1、S2為開關(guān)；

（3）S1、S2開關(guān)時(shí)序如圖2所示；t1=200ms；t2=1S；5000個(gè)循環(huán)；

（4）在預(yù)充電阻表面記錄溫升；

（5）試驗(yàn)合格判定條件：①預(yù)充電阻無(wú)斷路；②殼體無(wú)開裂現(xiàn)象；③試驗(yàn)前后預(yù)充電阻阻值變化率≤5%；④試驗(yàn)過(guò)程中殼體溫度≤300℃。

針對(duì)以上客戶要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了該預(yù)充電電路電阻的設(shè)計(jì)選型及驗(yàn)證。

1 電阻設(shè)計(jì)選型的思路及步驟

根據(jù)以上電路要求，我們得到以下信息：母線輸入為420VDC電壓，母線電容值1000uF，DUT電阻充電時(shí)序?yàn)椋和?00ms，斷1s，循環(huán)次數(shù)連續(xù)脈沖5000次，電阻體溫升需要低于300℃，測(cè)試后電阻外殼無(wú)開裂現(xiàn)象，電阻阻值變化率小于5%。

在預(yù)充電電路內(nèi)，電阻選型時(shí)我們需要按照兩種脈沖情況來(lái)參考設(shè)計(jì)，即線路內(nèi)單一脈沖能量沖擊和多次循環(huán)脈沖能量沖擊的情況。

在單一脈沖能量沖擊的情況下，因?yàn)樵跇O短的時(shí)間內(nèi)，線路中能量集中釋放，這些脈沖能量必須瞬間通過(guò)電阻吸收，所以電阻必須有很強(qiáng)的抗脈沖能力。此項(xiàng)可以通過(guò)計(jì)算得出量化數(shù)據(jù)，首先根據(jù)線路測(cè)試條件計(jì)算得到電阻的阻值，再通過(guò)參考電阻功率曲線得到電阻功率等等電阻性能參數(shù)。（也可以通過(guò)單次脈沖能量I2T參數(shù)反向推導(dǎo)出其耐受多次沖擊的I2T參數(shù)，并選擇對(duì)應(yīng)電阻參數(shù)）

在多次循環(huán)脈沖能量沖擊的情況下，我們?cè)陔娮铦M足單一脈沖能量沖擊的基礎(chǔ)上更多的需要考慮電阻的功率性，散熱性，多次抗脈沖能力等問(wèn)題，而在這種情況下，通過(guò)參考單一脈沖能量沖擊計(jì)算或I2T參數(shù)反向推導(dǎo)，得到的電阻功率等數(shù)據(jù)，然后我們進(jìn)行實(shí)際的脈沖測(cè)試模擬，這將是最有效的選型驗(yàn)證方法。

圖1 試驗(yàn)電阻、恒壓源等連接圖

圖2 S1、S2開關(guān)時(shí)序圖

2 電阻阻值及峰值功率/脈寬計(jì)算：

我們根據(jù)此案例首先進(jìn)行單一脈沖能量計(jì)算如下。

首先，我們根據(jù)以下公司計(jì)算確認(rèn)DUT預(yù)充電電阻阻值：

R=t/C×Ln[(Up-U0)/(Up-Vt)]

其中：t=預(yù)充電時(shí)間，R=預(yù)充電阻，C=母線電容，Up=母線電壓，電容初始電壓為0時(shí)，電容上的即時(shí)電壓值則為Vt=Up×[1-exp(-t/RC)]，U0=線路初始電容電壓，Vt=充電結(jié)束時(shí)電容電壓。

我們按照預(yù)充電一般標(biāo)準(zhǔn)，以充電達(dá)到總電壓的95%為充電結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，則充電結(jié)束時(shí)電容電壓為：Ut=420×95%=399V，按照以下公式R=t/C×Ln[(Up-U0)/(Up-Vt)]，計(jì)算得在200ms脈沖寬度內(nèi)，預(yù)充電DUT電阻R為66.8R，我們?nèi)?5R標(biāo)準(zhǔn)阻值。

我們接著計(jì)算電阻所要承受的峰值功率，上電瞬間電容相當(dāng)于短路，所以Up=420V，預(yù)充電DUT電阻的峰值功率為Up×Up/R=2713W，計(jì)算方波脈寬時(shí)間為：Ut=（1-0.37）Up=0.63Up=264.6V，t=R×C×Ln[(Up-U0)/(Up-Vt)]=0.06435s，方波脈寬t=0.032175s。

通過(guò)以上計(jì)算，在單一脈沖能量吸收的情況下，預(yù)充電電阻需要耐受2713W的功率，方波脈寬為0.032175s。圖3所示是尖頂波方波脈寬換算。

圖3 尖頂波方波脈寬換算

根據(jù)以上計(jì)算數(shù)值，我們得到了電阻的設(shè)計(jì)阻值和電阻耐受一次脈沖能量的功率及脈寬。

3 對(duì)電阻類型的選型，驗(yàn)證及測(cè)試臺(tái)的制作

3.1 電阻類型的選擇

根據(jù)上一步的計(jì)算，我們得到該預(yù)充電電阻單次必須可以在32.175ms脈寬上承受2713W的功率，按照降額到50%計(jì)算，則要承受5426W功率。據(jù)此量化指標(biāo)，我們對(duì)照產(chǎn)品脈沖曲線，首先選型鋁外殼線繞電阻或功率型水泥線繞電阻，其特性為抗浪涌能力強(qiáng)，功率型強(qiáng)，散熱好，可以實(shí)現(xiàn)高效冷卻，但是水泥線繞電阻如在功率余量較低時(shí)，陶瓷外殼在瞬間高熱時(shí)，容易出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，在客戶明確要求測(cè)試后殼體無(wú)開裂現(xiàn)象后，則不作選型考慮。而膜式電阻因其功率性較低較差，膜層抗浪涌性能弱，也不做選型考慮。所以我們初步將該電阻選型為RX24型鋁外殼電阻。

3.2 電阻功率的選擇

接著，我們根據(jù)RX24鋁外殼線繞電阻耐受沖擊的功率曲線，選型三種功率型號(hào)電阻進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證：20W-65R（驗(yàn)證單次脈沖），50W-65R（驗(yàn)證100次脈沖）和200W-65R（驗(yàn)證5000次脈沖），并設(shè)計(jì)測(cè)試臺(tái)原理圖如圖4所示。

我們根據(jù)測(cè)試描述畫出測(cè)試臺(tái)原理圖：

圖4 設(shè)計(jì)測(cè)試臺(tái)原理圖

3.2.1 設(shè)計(jì)及l(fā)ayout測(cè)試線路板（圖5）

圖5 設(shè)計(jì)及l(fā)ayout測(cè)試線路板

3.2.2 器件選型及制作測(cè)試臺(tái)（圖6）

圖6 器件選型及制作測(cè)試臺(tái)

1）時(shí)間繼電器DH48S-S 0.1s-990h X1 6）AC插頭X2

2）繼電器JQX-10F-2C HHC70A-2Z X1 7）接線柱X2

3）空開TGB1N-63 63A ------- X2 8）粉末壓鑄環(huán)氧板X2平方

4）DC數(shù)字電壓表DF3-D-D-V6-A-P1 X2 9）電源線X2

5）鋁外殼電阻（負(fù)載）RX24-250W-60R-J X1 10）PCB母板X1

3.2.3 確認(rèn)產(chǎn)品功率

測(cè)試臺(tái)制作完畢后，我們首先對(duì)20W功率產(chǎn)品進(jìn)行單次脈沖沖擊驗(yàn)證，一次脈沖沖擊后（如圖7所示）電阻表面溫度低于70℃（如圖8所示），阻值變化率低于5%，外表無(wú)裂紋。失效次數(shù)為8次，測(cè)試結(jié)果表明其可以耐受一次脈沖沖擊。

圖7 脈沖波形

圖8 測(cè)量器件表面溫度

我們對(duì)50W功率產(chǎn)品進(jìn)行多次脈沖沖擊測(cè)試，在脈沖沖擊100次后電阻表面溫度低于100℃，阻值變化率低于2.5%，250次后電阻表面溫度已經(jīng)達(dá)到300℃，阻值變化超過(guò)5%，外表無(wú)裂紋。以上測(cè)試結(jié)果表明50W功率產(chǎn)品滿足100次脈沖沖擊。

我們繼續(xù)測(cè)試200W功率產(chǎn)品，該電阻可以達(dá)到5000次脈沖沖擊后表面溫度為150℃以內(nèi)，阻值變化率小于1%，外表無(wú)裂紋。該電阻預(yù)留余量足夠，所以我們認(rèn)為，功率選型為200W，阻值選型為65R產(chǎn)品是完全滿足客戶測(cè)試需求的。

3.2.4 最終確認(rèn)型號(hào)

根據(jù)以上對(duì)阻值及功率的確認(rèn)，我們最終判定RX24鋁外殼200W，65R滿足客戶測(cè)試需求，以上方案關(guān)于電阻的選型完成。

綜上所述，在預(yù)充電線路內(nèi)對(duì)電阻進(jìn)行選型時(shí)，我們首先依靠應(yīng)用數(shù)據(jù)計(jì)算得出產(chǎn)品需要耐受的峰值功率，方波功率，脈寬及電阻阻值，再根據(jù)客戶要求及電阻產(chǎn)品特性進(jìn)行電阻類型的選擇，而選擇的電阻類型往往是抗浪涌強(qiáng)，功率型強(qiáng)，散熱好的線繞電阻類，接著確認(rèn)可耐受單次及多次脈沖的產(chǎn)品功率，并通過(guò)實(shí)際設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)電阻進(jìn)行多次脈沖循環(huán)模擬驗(yàn)證，最終確認(rèn)選型是否正確及產(chǎn)品是否可以滿足客戶測(cè)試需求。