有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)浪涌電流抑制電路設(shè)計(jì)

李 超，顧吉星，霍建玲，劉松堂

（1.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津300112；2.自然資源部海洋觀測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300112；3.國(guó)家海洋局煙臺(tái)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，山東 煙臺(tái) 264010）

進(jìn)入21 世紀(jì)，人類對(duì)海洋的探索由海面延伸到幾千米甚至萬(wàn)米水深的海底，海面和空間的觀測(cè)技術(shù)顯得捉襟見(jiàn)肘，一種全新的監(jiān)測(cè)技術(shù)孕育而生——有纜海底原位在線監(jiān)測(cè)技術(shù)?？茖W(xué)家在實(shí)驗(yàn)室即可實(shí)時(shí)瀏覽海底監(jiān)測(cè)儀器上傳的數(shù)據(jù)，并遠(yuǎn)程控制儀器的工作狀態(tài)。海底原位在線監(jiān)測(cè)技術(shù)既擺脫了船舶監(jiān)測(cè)的船時(shí)限制，又不受惡劣天氣的影響，還能通過(guò)因特網(wǎng)技術(shù)將大容量的視頻圖像源源不斷地傳到實(shí)驗(yàn)室，使人們親眼看到海底的景象，開(kāi)辟了海洋監(jiān)測(cè)的新時(shí)代[1]。隨著海洋觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，鑒于海底原位在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)的研究和建設(shè)。美國(guó)在有纜海底觀測(cè)技術(shù)方面是起步最早、種類最多、技術(shù)最全的國(guó)家，目前建有不同專業(yè)用途的海底站網(wǎng)近20 個(gè)。1996 年建成的長(zhǎng)期生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)站（Long-term Ecosystem Observatory，LEO） 是美國(guó)第一個(gè)有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)，用于長(zhǎng)期觀測(cè)近岸大陸架海水的生態(tài)環(huán)境[2]。2015 年建成的美國(guó)海洋觀測(cè)計(jì)劃（Ocean Observation Initiative，OOI）是目前世界上區(qū)域最大、觀測(cè)范圍最廣、傳感器種類最多的有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)[3-4]。加拿大在2009 年建成的東北太平洋時(shí)間序列海底聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)網(wǎng)（North-East Pacific Time -series Undersea Networked Experiments，NEPTUNE）是世界上最早的真正意義上的區(qū)域性海底觀測(cè)網(wǎng)，主干網(wǎng)全長(zhǎng)800 km，最大水深2 660m[5-6]。此外，日本也建成了地震和海嘯海底觀測(cè)密集網(wǎng)絡(luò)（Dense Ocean-floor Network System for Earthquakes and Tsunamis，DONET）[7]。與國(guó)外相比，我國(guó)在有纜海底觀測(cè)技術(shù)方面起步較晚，但近些年在國(guó)家多個(gè)部門的支持下，我們加快了這個(gè)領(lǐng)域的研究進(jìn)度，也取得了一定的成果，如同濟(jì)大學(xué)于2009 年在東海小衢山建立了國(guó)內(nèi)首個(gè)海底觀測(cè)試驗(yàn)站、中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所于2013 年建成海南三亞試驗(yàn)站，以及浙江大學(xué)于2014 年在東海建成的摘箬山島海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)示范系統(tǒng)等[8-9]。

有纜海底觀測(cè)系統(tǒng)是由岸基站、光電復(fù)合纜和海底控制艙組成的長(zhǎng)期海底原位在線觀測(cè)系統(tǒng)，控制艙的主要功能是完成電壓變換和網(wǎng)絡(luò)通信?？刂婆搶痘据斔偷剿碌母邏褐绷麟妷海ㄍǔ閹装俜揭蝗f(wàn)伏）變換成直流低壓（通常為12～48 V），通過(guò)統(tǒng)一的供電接口給科學(xué)儀器供電?？刂婆摴╇娡ǔＳ衫^電器控制，繼電器吸合瞬間會(huì)在供電線路上產(chǎn)生一個(gè)很大的電流，這就是我們通常說(shuō)的浪涌電流。浪涌電流產(chǎn)生的原因主要由供電線路上的等效電容和控制艙內(nèi)濾波電容引起，電容的等效電阻很小，因此會(huì)產(chǎn)生很大的電容充電瞬時(shí)脈沖電流，也稱為輸入浪涌電流[10-11]。浪涌電流的尖峰可能比穩(wěn)態(tài)電流大幾倍甚至十幾倍，如不加以抑制，很容易造成后級(jí)電路保護(hù)器件燒毀、繼電器開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)熔焊及元器件受損等故障，嚴(yán)重影響控制艙的正常運(yùn)行，進(jìn)而影響整個(gè)海底觀測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行安全。因此，浪涌電流的抑制對(duì)控制艙的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，本文在分析浪涌電流產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)浪涌電流抑制電路開(kāi)展研究，分析了現(xiàn)有傳統(tǒng)浪涌電流抑制電路的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）的母線浪涌電流抑制電路，并詳細(xì)介紹了元器件參數(shù)的計(jì)算過(guò)程，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)和示范運(yùn)行對(duì)電路的性能進(jìn)行驗(yàn)證。

1 浪涌電流產(chǎn)生原因分析

海底觀測(cè)系統(tǒng)控制艙電源變換系統(tǒng)框圖如圖1所示。Cr 為岸站到控制艙之間母線的等效電容，母線越長(zhǎng)Cr 值越大，當(dāng)母線長(zhǎng)為幾十米時(shí)，Cr 可忽略不計(jì)，但當(dāng)達(dá)到幾公里甚至更長(zhǎng)距離時(shí)，則需考慮Cr 對(duì)浪涌電流的影響。為了抑制傳導(dǎo)干擾，在直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）變換器的前端通常會(huì)設(shè)置電磁干擾（Electro Magnetic Interference，EMI）濾波電路，其中含有數(shù)值較大的濾波電容。另外，DC/DC 變換器本身為了濾除一些低頻和高頻干擾噪聲，也含有大量的電容。繼電器吸合瞬間，電源對(duì)濾波電容充電，直至電容充滿電后電壓穩(wěn)定。由于電容的等效電阻很小，充電時(shí)近似于短路，因此會(huì)產(chǎn)生很大的瞬時(shí)浪涌電流，且電容容量越大，浪涌電流也越大[12]。

圖1 控制艙電源系統(tǒng)框圖

2 傳統(tǒng)浪涌電流抑制電路

根據(jù)上述對(duì)浪涌電流產(chǎn)生原因的分析，通常采用在母線的輸入端串聯(lián)抑制性器件進(jìn)行浪涌抑制。目前，較為傳統(tǒng)的浪涌電流抑制方法主要有3 種[13-14]。

（1）串聯(lián)電阻。在母線上串聯(lián)電阻，通電瞬間通過(guò)電阻給后面的電容充電，由于電阻具有較高的阻抗，從而減小浪涌電流。但這種方法存在缺點(diǎn)，系統(tǒng)正常工作后，串聯(lián)的電阻會(huì)持續(xù)產(chǎn)生功率損耗。因此，對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)，在電阻上并聯(lián)繼電器，在系統(tǒng)正常工作后，通過(guò)延時(shí)電路控制繼電器吸合將電阻短路，此電路形式相對(duì)復(fù)雜，需要有專門的延時(shí)電路控制繼電器。

（2） 串聯(lián)負(fù)溫度特性的熱敏電阻（Negative Temperature Coefficient Thermistor，NTC）。NTC 的阻值與溫度成反比，常溫下電阻較大，利用自身的高阻特性抑制浪涌電流，通電后由于自身?yè)p耗產(chǎn)生熱量，其阻值隨之降低，自身功耗也隨之降低。該電路的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是關(guān)機(jī)后立即再次開(kāi)啟，NTC 電阻會(huì)失去浪涌電流抑制效果，原因是NTC 電阻已經(jīng)處于高溫狀態(tài)，阻值已經(jīng)非常小。

（3）串聯(lián)電感。在母線上串接一個(gè)差模電感，電感前的母線上并聯(lián)一個(gè)快恢復(fù)型二極管用于續(xù)流。電路的原理是利用電感抑制電流不能突變的基本特性，從而達(dá)到抑制浪涌電流的作用。該電路的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便。缺點(diǎn)是電感串聯(lián)在回路中，產(chǎn)生功率損耗。另外，由于電感的體積較大，也不利于空間有限的水下密封艙體內(nèi)安裝。

3 基于MOSFET 場(chǎng)效應(yīng)管的新型浪涌電流抑制電路設(shè)計(jì)

3.1 MOSFET 場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理

如圖2 所示，MOSFET 場(chǎng)效應(yīng)管在柵極電壓控制下的導(dǎo)通過(guò)程分為4 個(gè)階段[15-16]。

圖2 MOSFET 場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通過(guò)程曲線

第1 階段：t0～t1，柵極電壓UGS由零上升到開(kāi)啟電壓UTH，這個(gè)階段漏源極電流IDS幾乎為零，管子處于截止?fàn)顟B(tài)。

第2 階段：t1～t2，柵極電壓UGS由開(kāi)啟電壓UTH繼續(xù)上升到米勒平臺(tái)電壓，漏源極電流IDS逐漸增大，這個(gè)階段管子導(dǎo)通并工作在可變電阻區(qū)。

第3 階段：t2～t3，柵極電壓UGS維持在米勒平臺(tái)電壓，管子完全導(dǎo)通并工作在放大區(qū)，漏源極電流IDS達(dá)到飽和并維持恒定。

第4 階段：t3～t4，柵極電壓UGS由米勒平臺(tái)電壓繼續(xù)增大至管子的驅(qū)動(dòng)電壓，此時(shí)管子完全導(dǎo)通。

MOSFET 場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制型器件，當(dāng)其工作在可變電阻區(qū)，即導(dǎo)通過(guò)程的第2 階段時(shí)，可以看作是一個(gè)壓控電流源，漏源極電流IDS隨柵極電壓UGS近似呈線性增大，控制柵極電壓的變化就能控制流過(guò)漏源極的電流大小。因此，通過(guò)適當(dāng)延長(zhǎng)MOSFET 管柵極輸入電壓建立的時(shí)間，控制其在可變電阻區(qū)的導(dǎo)通過(guò)程，使母線上的浪涌電流得到控制。

基于MOSFET 場(chǎng)效應(yīng)管的浪涌電流抑制電路，除了能夠解決傳統(tǒng)電路本身固有的缺點(diǎn)外，還具有體積小、開(kāi)關(guān)速度快、損耗小和驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，輔以簡(jiǎn)單的外圍器件即可方便的搭建浪涌電流抑制電路。根據(jù)內(nèi)部導(dǎo)電溝道的不同，MOSFET 場(chǎng)效應(yīng)管可分為P 溝道和N 溝道兩種類型，因P 溝道的MOSFET 導(dǎo)通電阻大、價(jià)格高和替換種類少等原因，本文選用N 溝道MOSFET 設(shè)計(jì)浪涌電流抑制電路。

3.2 MOSFET 場(chǎng)效應(yīng)管浪涌電流抑制電路設(shè)計(jì)

如圖3 所示，輸入電壓為直流375 V，基于MOSFET 場(chǎng)效應(yīng)管的浪涌電流抑制電路由MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管、電阻、電容和穩(wěn)壓管等無(wú)源器件組成。圖中VT 為N 溝道MOSFET 場(chǎng)效應(yīng)管，R1、R2 為分壓電阻，R3 為限流電阻，C1 為充電電容，Cr 和Rr 為供電系統(tǒng)總的等效電容和等效負(fù)載。

圖3 浪涌電流抑制電路

繼電器J 吸合瞬間，由于電容C1 兩端電壓不能突變，VT 的柵極電壓UGS被鉗位在0 V，VT 截止，Cr 上沒(méi)有充電電流。隨著輸入電壓經(jīng)過(guò)電阻R1 給電容C1 充電，柵極電壓UGS逐漸升高，等到達(dá)開(kāi)啟電壓UTH后，VT 開(kāi)始導(dǎo)通并工作在可變電阻區(qū)，此時(shí)電流IDS由零逐漸變大，開(kāi)始給電容Cr 充電直至充滿。隨著UGS繼續(xù)升高到米勒平臺(tái)電壓，最后穩(wěn)定在設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電壓值，VT 完全導(dǎo)通。整個(gè)電路通過(guò)電阻R1、R2 和電容C1 的值調(diào)整VT 柵極電壓UGS的上升斜率，控制電流IDS的大小，使電路得到較好的浪涌電流抑制效果。

由式（4）可知，選用熱阻小于5 ℃/W 的散熱器即可保證SPA15N60C3 場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)溫不超過(guò)150 ℃，選好散熱器后再通過(guò)實(shí)際測(cè)量管子外殼的溫度進(jìn)行修正。

（2）其他無(wú)源器件參數(shù)

電路中其他無(wú)源器件包括電阻、電容和穩(wěn)壓管。MOSFET 場(chǎng)效應(yīng)管柵極的驅(qū)動(dòng)電壓不能超過(guò)20V，通常取10～15 V，驅(qū)動(dòng)電壓由電阻R1 和R2 分壓獲得。分壓的同時(shí)，為了降低電阻上的損耗，需增大阻值以降低電流，R1 取510 kΩ、R2取18 kΩ，根據(jù)歐姆定律可計(jì)算驅(qū)動(dòng)電壓約為13 V。R1的功率損耗約為0.257 W，R2功率損耗約為0.009 W，R1和R2可選擇5%精度的金屬膜電阻，功率分別為1 W 和0.25 W。R3為場(chǎng)效應(yīng)管柵極限流電阻，通常取幾歐姆到十幾歐姆，可采用5%精度的金屬膜電阻，阻值5.1 Ω，功率0.25 W。穩(wěn)壓二極管D1用于保護(hù)場(chǎng)效應(yīng)管不會(huì)因柵極電壓過(guò)高而損壞，可選用1N5245，其穩(wěn)壓值15 V，功率0.5 W。

R1的阻值確定以后，電容C1 的大小決定著場(chǎng)效應(yīng)管柵極電壓建立的快慢。繼電器J 吸合后，電源經(jīng)過(guò)電阻R1對(duì)C1 進(jìn)行充電，C1上電壓與時(shí)間的變化關(guān)系如式（5）所示。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

浪涌電流抑制電路板設(shè)計(jì)完成后，在核電站致災(zāi)生物監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的供電系統(tǒng)中應(yīng)用并加以驗(yàn)證。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電控制艙電壓變換控制板如圖4 所示，包括浪涌電流抑制板和電壓變換控制板。電壓變換控制板輸入電壓375 V，輸入濾波電容200 μF，電壓變換后共有4 路輸出，其中1 路48 V、2 路24 V、1 路12 V，輸入和輸出均設(shè)有電壓、電流信號(hào)采集。

圖4 電路板實(shí)物圖

測(cè)試儀器為YOKOGAWA DL950 示波記錄儀，分別測(cè)量了輸入母線上接入浪涌電流抑制電路板和沒(méi)有接入浪涌電流抑制電路板兩種情況下的浪涌電流，如圖5 和圖6 所示。圖片中下半部分為上半部分浪涌電流的局部放大，從局部放大圖中可以看到有兩個(gè)電流尖峰，第一個(gè)電流尖峰是開(kāi)機(jī)瞬間給電路板上的兩個(gè)濾波電容充電的電流，即主要的浪涌電流。第二個(gè)電流尖峰是給濾波電容充滿電后，后級(jí)的DC/DC 變換器開(kāi)始工作時(shí)的浪涌電流。未接入浪涌電流抑制電路板時(shí)，開(kāi)機(jī)瞬間母線上的浪涌電流峰—峰值為11.55 A，接入浪涌電流抑制電路板后的浪涌電流峰—峰值為4.14 A?？梢钥闯?，浪涌電流抑制電路將浪涌電流限制在了合理范圍內(nèi)，有效降低了母線上的輸入浪涌電流，取得了預(yù)期的抑制效果。

圖5 未接入浪涌電流抑制板的浪涌電流波形

圖6 接入浪涌電流抑制板的浪涌電流波形

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)浪涌電流產(chǎn)生原因的分析，提出了一種基于MOSFET 場(chǎng)效應(yīng)管的浪涌電流抑制電路，并成功應(yīng)用在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“濱海核電站取水區(qū)典型致災(zāi)生物立體監(jiān)控系統(tǒng)及應(yīng)用示范”項(xiàng)目致災(zāi)生物監(jiān)測(cè)供電系統(tǒng)中。在沒(méi)有接入浪涌電流抑制板時(shí)，開(kāi)機(jī)瞬間，電源直接給電容充電，瞬間充電電流達(dá)到11.55 A，勢(shì)必對(duì)電路中元器件造成沖擊，影響使用壽命。接入浪涌電流抑制板后，開(kāi)機(jī)后串聯(lián)在母線上的MOSFET 場(chǎng)效應(yīng)管SPA15N60C3 并未導(dǎo)通，母線上的電流為零，隨著柵極電壓逐漸增高，SPA15N60C3 開(kāi)始工作在可變電阻區(qū)，母線上開(kāi)始出現(xiàn)充電電流并逐漸增大，最大充電電流為4.14 A。隨著電容上的電壓逐漸升高，充電電流逐漸減小，當(dāng)電容充滿電后，電流穩(wěn)定在系統(tǒng)空載電流值，約0.3 A。對(duì)比浪涌電流的大小，接入浪涌電流抑制板后，浪涌電流減小為原來(lái)的三分之一。實(shí)驗(yàn)證明，基于MOSFET 場(chǎng)效應(yīng)管的浪涌電流抑制電路能夠很好地起到供電母線上浪涌電流的抑制作用，有效地保護(hù)后級(jí)元器件，提高供電質(zhì)量。致災(zāi)生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2021 年9 月布放在海南昌江核電冷源取水口，截至目前供電系統(tǒng)一直穩(wěn)定運(yùn)行，保障系統(tǒng)獲得實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。示范期間經(jīng)歷多次人為停斷電，恢復(fù)供電以后，系統(tǒng)均能正常工作，通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控軟件顯示浪涌電流均在可控范圍內(nèi)，示范運(yùn)行結(jié)果表明浪涌電流抑制方案的可靠性和穩(wěn)定性。