开关电路中浪涌电流对开关触点影响及改进措施

开关电路中浪涌电流对开关触点影响及改进措施

王海啸 ,陈庆祥

中国电子科技集团公司第七研究所摘要：本文章主要是对某典型电路的浪涌电流对开关触点的影响进行了详细分析，并提出了改进措施。

1概述

瞬态浪涌电流的产生是因为AC/DC变换器输入整流滤波采用的是电容输入式滤波方式，电路原理如图1所示。由于电容器上电压不能跃变，在整流器上电之初，滤波电容电压几乎为零，等效为整流输出端短路。如在最不利的情况（上电时的电压瞬时值为电源电压峰值）上电，则会产生远高于正常工作电流300倍左右的输入浪涌电流。

图1：电路原理图

浪涌电流会造成机械开关或断路器触点 “粘连”失效，电源前端接入的整流桥“击穿”易损坏，因此必须对带有电容滤波的整流器输入浪涌电流加以限制。浪涌抑制工作原理如下图所示，在回路中串联一个电阻与一对触点相并联的组合，使在上电时触点断开，电阻串联在环路中起到限制浪涌电流的作用，待电源进入某种状态时触点接通，将电阻短路减小功耗，保证电源的正常工作。

图2 浪涌抑制原理框图

设计的电路中浪涌抑制电路中的瞬态抑制有效电阻值为36Ω，可将单路整流电路的瞬态浪涌电流抑制在310÷36=8.6A，假设是三路的并用电路，经过开关的为三路浪涌电流的总和为25.8A。

浪涌抑制器的有效电阻值与充电时间是成正比关系，因此要选择合适的电阻。如果一味增加电阻，过度抑制浪涌电流，则电容器充电时间增长，充电尚未结束前会产生振荡，形成二次冲击电流，对整机电路不利。

浪涌电流对开关或者断路器的冲击主要是由于拉弧使得触点接触电阻增大，在接触电阻上损耗的功率会使得触点温度升高，一旦温升超过触点材料的熔点，就会使得触点熔化，产生粘连。

而触点温度升高的原因是两次及以上开机时间过短，热量积累，温度升高，可能导致开关粘合。

2计算分析

浪涌电流对开关的冲击主要是由于拉弧使得触点接触电阻增大，在接触电阻上损耗的功率会使得触点温度升高，一旦温升超过触点材料的熔点，就会使得触点熔化，产生粘连。以开关型号为704.402.0/900为例，接触方式为机械弹簧双触点，触点材料为硬银。

2.1触点材料的特性及计算所用到的公式

触点材料特性见表1所示：

表1 常用触点的材料特性表

2.1.2 开关接触电阻

单簧片接触电阻≤0.05Ω；

2.1.3热量公式

1焦耳=1/4.184卡

银的比热为56卡/千克·℃=0.056卡/克·℃

银的密度为10.50克/cm3

1焦耳=1/(4.184×0.056)=4.268克·℃=4268毫克·℃

2.2计算思路及方法

开机瞬间的浪涌电流（单位：A）→开机瞬间的功率（单位：W）→开机瞬间所产生的能量（单位：J）→热量转换（单位：卡）→结合银的密度和银的比热得出开机瞬间在开机触点上温升。

根据测量触点的厚度h为1mm，触点直径D为3mm，即触点的体积

V=h×S=1××1.52  =7.065mm3=0.007065cm3

触点重量G=银的密度×触点的体积=10.50×0.007065=0.074克=74毫克

实际测试时测到开机浪涌电流约为25.6A，因为两路并联，所以每路开关通过的浪涌电流为12.8A，持续时间为1ms。

充电时间常数τ=RC=36Ω×470uF=16.92ms

其中=16.92ms，t1=1ms，i=12.8A，J为能量，Rj为开关接触电阻0.1。

代入上述数值，可得J=15.2焦耳

ΔT= J×(4268/G)                          （2）

=15.2×（4268/74）=876.7℃

以上的计算是基于最坏的情况，即在开机瞬间刚好是交流电的波峰或波谷（电压为220V时），此时浪涌电流才为最大值25.6A，温升可达到876.7℃，比较接近银的熔点960℃。由于开关的机械特性决定开关时会发生抖动拉弧，产生火花，加大了开关的接触电阻Rj，使得瞬时温升更大，很容易就会达到银的熔点。但在实际设备使用时不会每次开机都是最坏情况，开机碰到最坏情况下多次，开关触点的损伤才会累加，产生开关卡滞，因此出现开关卡滞的现象会很少。

3改进措施

抑制浪涌、降低温度的措施通过减小滤波电容、增加热敏电阻和滤波电感来改善，或者更换参数更高的开关或者断路器。

3.1不加措施测得浪涌电流如下图所示：

图3 未加措施测得的三路浪涌电流波形

由图3可见，开机瞬间峰值有25.63mV，按照测试仪器1mV表示的1A的转换，可知浪涌电流峰值为25.63A。

3.2减小滤波电容

减小滤波电容可减小充电时间常数，从而减小瞬间能量值。滤波电容的选择与整流后的直流线压的纹波、电源中断后的保持时间有关。

滤波电容的充放电波形如下图所示：

图4 滤波电容的充放电波形

电容存储的能量与其电压的关系如下：     （3）

通过电容向变换器供电时，电容消耗的能量为功率和时间之积：

             （4）

其中P=工作功率

=电容放电时间

    V1=

始点时之电容的电压

    V2=末点时之电容的电压

由（3）式变换可得：             （5）

Vicor变换器的纹波抑制（R）和输入、输出的关系如下：

     (6)

选用的VICOR DC-DC变换模块输入电压Vin为300V，Vout为24V，代入（6）式可得：R=52dB

模块输出纹波指标最大为100mV，取值为50mV，则由纹波抑制参数R反推得输入纹波为20V，若峰值为311V，则峰谷的电压为291V，则时

间变化 为：          （7）

其中f为交流电压频率50Hz；为整流器导通角：    (8)

将V2=291V、V1=311V代入（8）式可得：=21=0.11

代入（7）式可得：  =4.45mS

1)模块输出功率为最大500W，效率为85%，则需要输入功率P为588W。

将上述的值代入公式（5），可得电容需要维持放电时间所需的容值为：

2)模块正常工作时输出功率最大为336W，需要的输入功率为395W，代入可得电容容值为：C=290uF

若将电容减小为300uF，则充电时间常数为10.8ms，其余参数不变，代入（1）式和（2）式，可得温升为867℃，对温度改善不大。

实测以单路数据做对比，电容为470uF和 300uF时，测得的单路浪涌电流波形如下图5

图5电容为470uF时/300uF测得的单路浪涌电流波形

由两图对比可知，更换电容后浪涌电流峰值没有改善。

3.3增加热敏电阻

在每路整流回路中串联热敏电阻，可增加瞬态导通时的限流电阻，降低浪涌电流，从而减小瞬间温升。

负温度系数热敏电阻（即NTC）特点是随温度降低阻值增大，随温度升高阻值减小。当设备开机上电时，由于NTC处于冷态，呈现大阻值，串在回路中起到抑制浪涌电流作用，随着电流通过NTC逐渐发热，阻值逐渐变小到0.15Ω左右，不会影响电路的正常工作。

增加的热敏电阻型号为MF72-2-4R7M，冷态时电阻为4.7Ω，则浪涌抑制电阻值为36+4.7=40.7Ω，单路浪涌电流可抑制在310V/40.7Ω=7.6A，三路为22.8A，充电时间常数=19.13ms，代入（1）式和（2）式，可得温升为717℃。

图6 增加热敏电阻后的单路/三路浪涌波形

结论：由图6可见，三路都增加热敏电阻后，瞬态浪涌电流的峰值降低至22.81A，符合理论值。

3.4增加滤波电感

在整流器和滤波电容中间串联一个滤波电感，这是无源功率因数校正的方法之一，由于电感的存在，降低了充电电流的峰值，扩大了输入电流的导通角度，同时也降低了输入的瞬时功率。

滤波电感的选择与整流滤波电路的等效直流负载之间的关系为：

      (9)

其中为等效直流负载，为电源角频率（）。

加到电源模块的输入端的电源阻抗直接影响模块的稳定性和瞬态响应。通常电源阻抗应小于模块输入阻抗的十分之一，可得模块所需的电源阻抗为：               （10）

其中=180V，为电源最低输入电压；=395W，为模块输入功率。

代入（10）式，可得： =8.2Ω

代入（9）式，可得：=8.7mH

需要加的电感最小值为8.7mH，体积比较大，而且磁芯的选择对电感的性能影响很大，也容易引起电磁干扰，对整机电路的影响还需要进一步分析。

在加热敏电阻的基础上，串入电感后单路浪涌电流波形如下图所示。

图7 增加热敏电阻和电感后的单路浪涌波形

结论：将图7和图6对比可见，在热敏电阻的基础上再增加电感后的瞬态浪涌电流峰值未进一步改善，说明浪涌尖峰已经被热敏电阻抑制了，增加电感并不能再进一步抑制，因此建议不增加。

3.5更换整机开关

更换成工作电流更高，耐浪涌电流更大的开关。经过多方面比较，以选取KRAUS&NAIMER的CA25-PC4003-FT1为例。该型号开关为双刀双掷，单触点工作电流为32A，耐浪涌电流60A，32A＞3.5A，60A＞24.9A，满足需要。

4结论

选取KRAUS&NAIMER公司的CA25-PC4003-FT1，该开关因为加大了接触面积和散热面积，因此其单触点工作电流可达32A，耐浪涌电流60A，能满足设计和应用要求。由公式（2）计算，新选用的开关触点体积近似增加了2倍，则可得在相同浪涌电流和接触电阻下，温升为：

ΔT= J×(4268/G)=15.2×（4268/148）=438.3℃

与原开关对比，新选用的开关温升大大降低，不会引起触点粘连。