預充電線路電阻設計選型實例

蚌埠市雙環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，電機控制器，電池管理系統等等電子設備內，直流母線上必須設計預充電電路，以吸收脈沖電流保護線路。而此設計的原理為：在直流母線上存在大電容的電路內，電容并聯在電源兩端，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電阻設計選型的實例。

以下為客戶設計的預充電線路：

項目：預充電電路內電阻試驗驗證策劃

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內電容放電完成）；S1、S2為開關；

（3）S1、S2開關時序如圖2所示；t1=200ms；t2=1S；5000個循環；

（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，我們設計了該預充電電路電阻的設計選型及驗證。

1 電阻設計選型的思路及步驟

根據以上電路要求，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，循環次數連續脈沖5000次，電阻體溫升需要低于300℃，測試后電阻外殼無開裂現象，電阻阻值變化率小于5%。

在預充電電路內，電阻選型時我們需要按照兩種脈沖情況來參考設計，即線路內單一脈沖能量沖擊和多次循環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，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據，首先根據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。（也可以通過單次脈沖能量I2T參數反向推導出其耐受多次沖擊的I2T參數，并選擇對應電阻參數）

在多次循環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參數反向推導，得到的電阻功率等數據，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開關時序圖

2 電阻阻值及峰值功率/脈寬計算：

我們根據此案例首先進行單一脈沖能量計算如下。

首先，我們根據以下公司計算確認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%為充電結束標準，則充電結束時電容電壓為：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，預充電DUT電阻R為66.8R，我們取65R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

根據以上計算數值，我們得到了電阻的設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。據此量化指標，我們對照產品脈沖曲線，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，容易出現裂紋現象，在客戶明確要求測試后殼體無開裂現象后，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），并設計測試臺原理圖如圖4所示。

我們根據測試描述畫出測試臺原理圖：

圖4 設計測試臺原理圖

3.2.1 設計及layout測試線路板（圖5）

圖5 設計及layout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）粉末壓鑄環氧板X2平方

4）DC數字電壓表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 確認產品功率

測試臺制作完畢后，我們首先對20W功率產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。失效次數為8次，測試結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達到300℃，阻值變化超過5%，外表無裂紋。以上測試結果表明50W功率產品滿足100次脈沖沖擊。

我們繼續測試200W功率產品，該電阻可以達到5000次脈沖沖擊后表面溫度為150℃以內，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產品是完全滿足客戶測試需求的。

3.2.4 最終確認型號

根據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，以上方案關于電阻的選型完成。

綜上所述，在預充電線路內對電阻進行選型時，我們首先依靠應用數據計算得出產品需要耐受的峰值功率，方波功率，脈寬及電阻阻值，再根據客戶要求及電阻產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品功率，并通過實際設計的實驗來對電阻進行多次脈沖循環模擬驗證，最終確認選型是否正確及產品是否可以滿足客戶測試需求。