蚌埠市雙環(huán)電子集團股份有限公司 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)計預充電電路，以吸收脈沖電流保護線路。而此設(shè)計的原理為：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，電容兩端沒有電荷，只有很低的殘留電壓，上電時電壓不能突變，而電流會發(fā)生突變，相當于電容直接短路，從而導致電路的短路。如果此時沒有預充電線路的參與，短路的大電流會對橋堆芯片等其他元件造成不可逆損傷，導致元件失效。所以，預充電電路的存在，吸收了上電瞬間的短路能量，限制了上電短路電流，保護了其他元件。那么，在預充電電路中，根據(jù)充放電時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，我們看以下預充電電路內(nèi)電阻設(shè)計選型的實例。

以下為客戶設(shè)計的預充電線路：

項目：預充電電路內(nèi)電阻試驗驗證策劃

應用耐久性需求：

（1）將試驗電阻、恒壓源等按照圖1進行連接；

（2）恒壓源U=420V；DUT為試驗電阻；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)時序如圖2所示；t1=200ms；t2=1S；5000個循環(huán)；

（4）在預充電阻表面記錄溫升；

（5）試驗合格判定條件：①預充電阻無斷路；②殼體無開裂現(xiàn)象；③試驗前后預充電阻阻值變化率≤5%；④試驗過程中殼體溫度≤300℃。

針對以上客戶要求，我們設(shè)計了該預充電電路電阻的設(shè)計選型及驗證。

1 電阻設(shè)計選型的思路及步驟

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電阻充電時序為：通200ms，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℃，測試后電阻外殼無開裂現(xiàn)象，電阻阻值變化率小于5%。

在預充電電路內(nèi)，電阻選型時我們需要按照兩種脈沖情況來參考設(shè)計，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，因為在極短的時間內(nèi)，線路中能量集中釋放，這些脈沖能量必須瞬間通過電阻吸收，所以電阻必須有很強的抗脈沖能力。此項可以通過計算得出量化數(shù)據(jù)，首先根據(jù)線路測試條件計算得到電阻的阻值，再通過參考電阻功率曲線得到電阻功率等等電阻性能參數(shù)。（也可以通過單次脈沖能量I2T參數(shù)反向推導出其耐受多次沖擊的I2T參數(shù)，并選擇對應電阻參數(shù)）

在多次循環(huán)脈沖能量沖擊的情況下，我們在電阻滿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題，而在這種情況下，通過參考單一脈沖能量沖擊計算或I2T參數(shù)反向推導，得到的電阻功率等數(shù)據(jù)，然后我們進行實際的脈沖測試模擬，這將是最有效的選型驗證方法。

圖1 試驗電阻、恒壓源等連接圖

圖2 S1、S2開關(guān)時序圖

2 電阻阻值及峰值功率/脈寬計算：

我們根據(jù)此案例首先進行單一脈沖能量計算如下。

首先，我們根據(jù)以下公司計算確認DUT預充電電阻阻值：

R=t/C×Ln[(Up-U0)/(Up-Vt)]

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

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

我們接著計算電阻所要承受的峰值功率，上電瞬間電容相當于短路，所以Up=420V，預充電DUT電阻的峰值功率為Up×Up/R=2713W，計算方波脈寬時間為：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。

通過以上計算，在單一脈沖能量吸收的情況下，預充電電阻需要耐受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)以上計算數(shù)值，我們得到了電阻的設(shè)計阻值和電阻耐受一次脈沖能量的功率及脈寬。

3 對電阻類型的選型，驗證及測試臺的制作

3.1 電阻類型的選擇

根據(jù)上一步的計算，我們得到該預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%計算，則要承受5426W功率。據(jù)此量化指標，我們對照產(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，功率型強，散熱好，可以實現(xiàn)高效冷卻，但是水泥線繞電阻如在功率余量較低時，陶瓷外殼在瞬間高熱時，容易出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，在客戶明確要求測試后殼體無開裂現(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，選型三種功率型號電阻進行測試驗證：20W-65R（驗證單次脈沖），50W-65R（驗證100次脈沖）和200W-65R（驗證5000次脈沖），并設(shè)計測試臺原理圖如圖4所示。

我們根據(jù)測試描述畫出測試臺原理圖：

圖4 設(shè)計測試臺原理圖

3.2.1 設(shè)計及l(fā)ayout測試線路板（圖5）

圖5 設(shè)計及l(fā)ayout測試線路板

3.2.2 器件選型及制作測試臺（圖6）

圖6 器件選型及制作測試臺

1）時間繼電器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（負載）RX24-250W-60R-J X1 10）PCB母板X1

3.2.3 確認產(chǎn)品功率

測試臺制作完畢后，我們首先對20W功率產(chǎn)品進行單次脈沖沖擊驗證，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%，外表無裂紋。失效次數(shù)為8次，測試結(jié)果表明其可以耐受一次脈沖沖擊。

圖7 脈沖波形

圖8 測量器件表面溫度

我們對50W功率產(chǎn)品進行多次脈沖沖擊測試，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)達到300℃，阻值變化超過5%，外表無裂紋。以上測試結(jié)果表明50W功率產(chǎn)品滿足100次脈沖沖擊。

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

3.2.4 最終確認型號

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

綜上所述，在預充電線路內(nèi)對電阻進行選型時，我們首先依靠應用數(shù)據(jù)計算得出產(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)品特性進行電阻類型的選擇，而選擇的電阻類型往往是抗浪涌強，功率型強，散熱好的線繞電阻類，接著確認可耐受單次及多次脈沖的產(chǎn)品功率，并通過實際設(shè)計的實驗來對電阻進行多次脈沖循環(huán)模擬驗證，最終確認選型是否正確及產(chǎn)品是否可以滿足客戶測試需求。