基于MOSFET适用于母线开关的浪涌抑制电路

张 伟，张泰峰，鲁 伟，李文华

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

基于MOSFET适用于母线开关的浪涌抑制电路

张 伟，张泰峰，鲁 伟，李文华

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

依据MOSFET功率开关管可工作于线性区，其寄生电容参数值会影响MOSFET开关特性的固有属性，提出一种基于MOSFET适用于航空航天母线开关的浪涌抑制电路。通过MOSFET外围稍加电阻电容器件等同于改变MOSFET的寄生电容，使其开关特性曲线改变。当母线开关接通时，由于电源输入端滤波电容的影响，将出现浪涌，此时使MOSFET开关管工作于线性区，通过MOSFET的恒流作用，达到为后端容性负载充电，从而起到抑制浪涌的作用。通过原理分析、电路仿真及实验验证，表明该电路能够作为母线开关同时有效起到浪涌抑制作用。

MOSFET；母线开关；浪涌抑制

随着我国工业化的不断发展，开关电源的应用越来越广，无处不在，如手机充电器、电脑电源、车载电源、通信电源及航空航天电源等。开关电源在向体积小、质量轻、效率高方向发展的同时，也在不断提高EMC和可靠性的要求。为了提高电源EMC要求，绝大多数的电源在电源输入端设计了输入滤波器[1]，因此输入滤波器的设计是开关电源设计的重要组成部分之一，同时为了可靠性的要求，希望故障的电源或电路与一次能源母线可以实现隔离，因此希望电源输入端增加一个母线开关。对于航空航天电源或大功率电源对EMC要求更严格，可靠性也要求更高，因此希望输入端增加一个母线开关，同时为了提高EMC的要求，滤波器的设计中往往电容比较大。在开机瞬间，即母线开关接通瞬间，由于输入端滤波电容处于尚未充电的初始状态，供电母线开关接通瞬间便会产生很大的浪涌电流值。这不仅对电路中的元器件带来很大瞬时应力，造成元器件受损，还会对挂接在同一供电母线上的其他用电设备产生较大瞬时干扰。

为此，本文提出了基于MOSFET母线开关的浪涌抑制电路，此电路外围器件少，只有极少的电阻、电容及MOSFET开关管，不仅具有母线开关的功能，还可以在电源启动瞬间起到浪涌抑制作用，如果电阻、电容及开关管满足航空航天等级，也可用于航空航天的母线开关浪涌抑制电路。

1 设计实现依据

1.1 目前常用方案

目前较为常用的浪涌抑制电路方案主要有：(1)继电器配合限流电阻；(2)使用负温度系数特性的热敏电阻；(3)SCR配合限流电阻；(4)使用压敏电阻；(5)TVS瞬态抑制二极管[2]。方案(1)是在供电母线与容性滤波器之间串入限流电阻，在母线开关接通时，供电母线通过限流电阻给后端容性滤波器电容充电，在达到一定电压值后，再通过并联的继电器短路限流电阻。方案(2)是利用负温度特性热敏电阻在常温时电阻值大，当接入母线后由于热耗，使得其温度升高，此时电阻阻值变小，功耗变低，达到热平衡。此方案由于热敏电阻长期处于热耗状态，同时受环境温度影响较大，因此可靠性不高。方案(3)与方案(1)类似，只是当滤波器电容充电到一定值后，通过SCR器件短路限流电阻，SCR接入母线。方案(4)和方案(5)只适用于浪涌时间极其短暂、能量较小的浪涌抑制[2]。上述几种方案虽然可以起到浪涌抑制的作用，但是都不能实现母线开关的作用，方案(1)如果断开并联的继电器，就会使限流电阻再次接入母线，需要逻辑顺序控制两个继电器协调工作。方案(3)如果断开SCR，同样发生限流电阻再次接入母线，同时长期工作时，SCR由于压降比较大，功耗也大。

1.2 MOSFET寄生电容及开关过程

MOSFET是电压控制型器件，可以用图1所示电路等效，其中GS、GD及DS分别为MOSFET栅源电容、栅漏电容(米勒电容)及漏源电容，是MOSFET的寄生电容，固有属性。它们可以从数据手册中查得[3]。寄生电容会影响MOSFET的开关速度。

图1 MOSFET寄生电容等效电路

由于MOSFET的结构及引线影响，在MOSFET加工完成后会产生寄生电容，因此在应用中特别注意寄生电容对开关波形的影响。图2所示是MOSFET的开通过程，同时描述了开通过程中MOSFET的门极电压GS、漏源电压DS和漏极电流D的过程变化。

图2 MOSFET开通过程与GS、DS和D波形

MOSFET的开通过程可分为以下四个阶段：

0至1阶段，门极电压GS由0 V逐渐上升至开通阈值电压GS(th)，在此阶段，MOSFET的DS不变，D等于0。

1至2阶段，门极电压GS由开通阈值电压GS(th)上升至平台电压(米勒电压)M，门极电压为栅源寄生电容GS充电，在此阶段，MOSFET开始导通，进入线性区，DS基本不变，D由0开始上升至D(MAX)。

2至3阶段，门极电压GS保持不变，门极电压为米勒电容GD充电，在此阶段，MOSFET仍处于线性区，DS近似线性下降至D×DS(ON)值，D处于恒流值不变。

3至4阶段，门极电压GS由米勒平台电压M继续上升，在此阶段，MOSFET退出线性区，进入完全饱和导通阶段，DS为负载电流与通态电阻DS(ON)的乘积，D为负载电流L。

MOSFET实际应用中，多处于高速开关状态，因此2至3时间阶段只有百纳秒级，如果将MOSFET作为母线等保护开关，MOSFET就不需要工作于高速开关状态，因此通过增大米勒电容GD，使MOSFET工作于2至3阶段的时间达到几十毫秒，即在MOFFET的漏极与栅极间并联适当的电容。如图1所示电容，等同于GD电容变大，通过图2 MOSFET开通过程描述，可知MOSFET工作在此阶段可以使D电流为近似恒流状态，达到抑制浪涌和为后端滤波器或容性负载预充电的目的，这就是本文所提出的基于MOSFET母线开关的浪涌抑制电路。此电路不仅利用MOSFET通态电阻DS(ON)低，可用于母线开关，同时解决了母线开关接入滤波器或容性负载时抑制浪涌的作用。

2 仿真和实验验证

2.1 电路设计及验证模型

如图3所示虚线框A区域为本文所设计的基于MOSFET母线开关的浪涌抑制电路，B区域采用一个功率电阻RL和大容量电容CL模拟通常的DC/DC电源输入端的容性滤波器或其它母线开关之后的容性负载。图3整体电路是为了验证MOSFET是否能起到浪涌抑制的验证电路。从图中可以知道，MOSFET作为母线开关，如果单纯作为母线开关，当MOSFET导通瞬间，输入端2 000 μF大电容会瞬间释放能量通过MOSFET至负载电容CL，此时MOSFET会被瞬间大电流损坏，同时母线上会产生上百安培的浪涌电流。通过如图3所示A区域中MOSFET开关管、电容C1、电阻R1、电阻R2及电阻R3组成的浪涌抑制电路，不仅使MOSFET具有母线开关的功能，同时由于R1与C1的作用等同于增大了MOSFET的米勒电容GD，促使MOSFET工作于线性区的时间延长至几十毫秒，完成对MOSFET母线开关之后滤波器或容性负载电容的恒流充电，从而使MOSFET母线开关能够起到浪涌电流抑制作用。

图3 验证基于MOSFET母线开关的浪涌抑制电路图

2.2 仿真验证

图4所示是对图3验证电路的仿真。母线电压 为100 V，由图3可知初始态GS=0 V，DS=100 V，D=0 A。当MOSFET接通12 V电平后，MOSFET开关管开始导通，GS出现40 ms的平台电压，此时DS由100 V线性逐渐降低，采样电流D最大值1.4 A，之后1.2 A恒流状态为负载电容L充电直至100 V(L=-DS)。通过仿真证明了基于MOSFET的浪涌抑制电路能够很好地起到抑制浪涌电流的作用。

图4 验证电路仿真图

2.3 实验验证

经过对验证电路的仿真，证明通过改变MOSFET的寄生电容，主要是米勒电容GD的容值增加，使MOSFET在线性区的工作时间延长至几十毫秒，使MOSFET的漏源电压DS近似线性下降，D电流工作在恒流状态，抑制了浪涌的产生。图5所示是对图3验证电路的实验，对母线电压分别为50、100及150 V的情况进行了实验。从实验波形图中得知，随着母线电压的升高，米勒平台的时间30、40 ms延长至45 ms，D电流0.8、1.2 A至1.6 A，DS近似线性下降至D与DS(ON)的乘积。母线电压升高，米勒平台时间延长，是由于MOSFET的米勒电容GD在开通时，随母线电压升高会变大。

图5 验证电路实验波形图

3 结论

通过仿真和实验证明了基于MOSFET母线开关的浪涌抑制电路，能够很好地起到母线开关抑制浪涌电流的作用。所设计电路外围器件只有少数电阻电容器件，电阻电容及MOSFET的等级决定了此电路可以应用的领域。同时经过验证电路的实验，此电路适用于母线开关后端接有大容值滤波器或容性负载电路的浪涌抑制。本文提出的基于MOSFET的母线开关浪涌抑制电路方案功耗低、电路易于实现、控制电路简单同时解决了母线浪涌电流问题。

[1]赵同贺.开关电源设计技术与应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2007:47-51.

[2]漆逢吉.通信电源系统[M].北京：人民邮电出版社，2008:70-71.

[3]刘胜利.现代高频开关电源实用技术[M].北京：电子工业出版社，2001:83-86.

《燃料电池设计与制造》

本书从系统工程、系统设计角度而非深奥的电化学、热力学理论角度，结合实际案例，介绍了燃料电池的基本概念、系统组成和系统分类，描述了燃料电池涉及的主要基础理论知识和关键技术，从工程应用角度说明了燃料电池的工作条件、堆的结构与设计、流道设计和材料要求等，提出了用于表征燃料电池关键性能的主要指标，论述了如何对系统进行建模与设计。

Surge suppression circuit for power bus switching based on MOSFET

MOSFET could be used in the linear working region.The switching performance was effected by the parasitic capacitance of the MOSFET.Based on the above feature,a surge suppression circuit was proposed for the power bus switching in the area of aircraft.By adding a few resistors and capacitors around the MOSFET,the parasitic capacitance and the switching characteristic were changed.When the power bus was switched on,a inrush current occur for the filtering capacitor in the input port.Since the MOSFET working in the linear region,the capacitor load in the output port was charging for the constant current function of MOSFET. Thus, the surging could be suppressed. The effectiveness of the proposed circuit was demonstrated by principle, circuit simulations and experimental results.

MOSFET;BUS switching;surge suppression

TM 56

A

1002-087 X(2015)10-2222-03

2015-03-20

张伟(1981—)，男，山西省人，硕士生，工程师，主要研究方向为电路与系统及电源。