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Back to top如何抑制湧浪電流?
現行的電力電子轉換器，為了抑制輸入與輸出漣波或者是EMI雜訊，通常會在輸入端並接電容器或者是濾波器，如圖1所示，濾波器通常由電感或電容組成。因為濾波器中有電容，當系統初始供電狀態時，由於電壓快速上升，會產生很高的湧浪電流。這樣的狀況可能會造成前端電源供電不足，導致前端電源電壓降低，或者是進入保護狀態，導致無電壓輸出，因此湧浪電流的抑制也越來越重要。
1. 緒論
1. 被動式抑制
圖1.1也是另一種被動式抑制線路，這主要是用在當應用線路需要外接大量的電容的情況。如果無外接額外線路的情況下，DC bus啟動瞬間要對大量的電容充電，此時會有大量的湧浪電流，可能會導致前端電源進入保護。此時，只要電容輸入端串接電阻與二極體，即可緩解湧浪電流的現象發生。在充電時，電阻可以協助限制湧浪電流，然而當DC bus需要電時，可以透過二極體將電容的電能反饋回DC bus。
1.2 主動式抑制
另一種為使用主動開關搭配緩啟動電路抑制湧浪電流，如圖1.2所示。緩啟動電路讓主動開關緩慢導通，藉此抑制啟動瞬間的湧浪電流，此方式的優點為不影響系統的效率，並且不受環境溫度的影響。缺點是需外接額外線路，整體成本較高。
2. 應用線路
湧浪電流抑制的方式很多種，各有優缺點。主動式是利用MOSFET在啟動時，導通阻抗的變化，借以抑制輸入電流。再者，由於MOSFET的導通阻抗較低以及驅動簡單，只要在周圍加上少量元件即可組成抑制電路，因此，使用MOSFET設計的抑制電路十分常見。被動式使用的零件較少，但是透過電阻抑制，還是會有能量損耗。下述將介紹兩個主動式與一個被動式抑制線路。
2.1 主動式抑制線路(P-Channel MOSFET)
圖2.1為使用P-channel MOSEFT的湧浪電流抑制電路。初始階段C1上的電壓為0V，輸入電壓透過R2對C1充電，最終C1上的電壓是透過R1與R2分壓決定。
Q1的工作狀態是透過Vgs端的電壓決定
- -Vgs<-Vgs(th)且-Vgd<-Vgs(th)
此時的MOSFET是處於截止區的狀態，形同開路。
- 當-Vgs>-Vgs(th)且-Vgd>-Vgs(th)
此時MOSFET處於歐姆區，此時DS極的Vds-Id輸出特性如同線性電阻，並會隨著Vgs電壓增加而變小。
- 當-Vgs>-Vgs(th)且-Vgd<-Vgs(th)
此時的MOSFET處於飽和區，此時的Id為定值，不會隨著Vdc改變，而且此時的MOSFET導通阻抗非常低，適合作為開關使用。
由MOSFET的三個工作狀態可以得知，當處於歐姆區的時候最適合用在抑制輸入湧浪電流。至於R1、R2、C1的計算可以透過下述公式
透過公式8可以求得R1與R2的值，再透過公式1與3可以得出C1與啟動時間。從中可以發現，在相同的R2之下，C1越大，MOSFET操作在歐姆區的時間越長，代表抑制湧浪電流的效果會好一些。
2.2 被動式抑制線路(電阻並聯二極體)
一般的被動式抑制線路是在輸入端串聯熱敏電阻，但是由於熱敏電阻受環境溫度影響較大，在環境溫度較高或輸入電源多次快速啟閉時，就會失去保護作用。為了改善這個現象，使用電組並聯二極體，並與輸入電容串接，不僅可抑制湧浪電流，環境溫度變化或者是輸入電源快速啟閉皆不易受影響，線路如圖2.2所示。
工作原理是當有輸入電壓時，輸入電壓透過R1對Cload進行充電，當後端負載需要電時，Cload透過二極體放電至負載端。
從圖中可以得知，R1與湧浪電流成反比，因此可以透過下列公式計算R1
R1上的損耗為
t可以大略視為一倍的時間常數
Loss of resistance can be obtained by taking formula (6).
3. 實際範例
3.1 主動式抑制線路(P-channel MOSFET)
依照圖3.1實際設計一湧浪電流抑制線路，並配合公式(1)~(4)，計算出線路參數
| Q1 | AP9120GH |
| R1 | 10 kΩ |
| R2 | 20 kΩ |
| C1 | 1 uF |
| TYpe | Vdss | Vgs(th) | Rds(on) | Id |
| AP9120GH | -200 V | -2~-4 V | 0.68 Ω | -8 A |
實驗條件
下表為本實驗選用的直流-直流電源轉換器規格
| DC to DC Converter | PF30WR4-2405 |
| Input voltage | 24 Vdc |
| Output voltage | 5 Vdc |
| Output current (full load) | 6000 mA |
| Cin | 220 uF |
實驗結果
圖3.2是使用P-MOSFET抑制線路的測試波形，由圖中可以看出輸入湧浪電流被有效抑制，在相同的輸入電壓與輸入電容，湧浪電流從122安培抑制為4.546A。
3.2 被動式抑制線路(電阻並聯二極體)
依照圖3.2.1實際設計一湧浪電流抑制線路，並配合公式(6)，計算出線路參數。
實驗條件
| Input Voltage | 24 Vdc |
| R1 | 25 Ω |
| D1 | V10P10 |
| Cin | 220uF |
實驗結果
圖3.4是使用電阻並二極體抑制線路的測試波形，由圖中可以看出輸入湧浪電流被有效抑制，在相同的輸入電壓與輸入電容，輸入電容的湧浪電流抑制在2.386A。
3.3 被動式抑制線路(電阻並聯二極體)
另外，在鐵道應用中，輸入電源由於震動或者是在車廂互相連接的情況下，輸入電源容易有中斷或者是短暫供電不穩的現象。此時，系統中的電源模組要在這樣的情況下要維持穩定的運作。因此，常見的作法是在電源的輸入端外接大量的電容器，以維持穩定的輸出，如圖3.5所示。當線路中有大量的電容時，在電源供電瞬間，容易有大量的湧浪電流出現，此被動式抑制線路非常適合應用在這種狀況。
實驗條件
| DC to DC Converter | RQ60WR12-11012 |
| Input voltage | 24 Vdc |
| Output voltage / Current | 12 Vdc / 5000 mA |
| Cbus | 800 uF |
| R1 | 24 Ω |
| D1 | SVC4200VB |
實驗結果
圖3.6是無外加抑制線路的測試波形，從圖中可以看到輸入湧浪電流高達24.13A。
圖3.7是使用抑制線路所測試的波形，由圖中可以看出輸入湧浪電流被有效抑制剩下9.67A。
結論
電力電子轉換器為了加強抗雜訊能力，大多是在輸入端外接電容器，但由於電容器的特性，使得在電源輸入端造成湧浪電流，如不特別抑制湧浪電流，則可能會損壞系統的保護線路或者是保險絲。
本文介紹兩種湧浪電流抑制方式，一種是使用主動式開關特性抑制湧浪電流。另一種是透過電阻對電容充電，再透過二極體放電回系統。主動式的抑制電流效果較好，但是使用的零件較多。被動式抑制線路的零件使用最少，但是必須考慮電阻的損耗與功率選用。從設計到驗證結果皆展現這兩種方式都可以有效抑制湧浪電流。另外，隨者越來越多可熱插拔的電源興起，善用被動式或主動式抑止浪湧電流是未來電源設計的趨勢。
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