阻容降壓

阻容降壓是利用電容在一定的交流信號頻率下產(chǎn)生的容抗來限制最大工作電流。

例如，在50Hz的工頻條件下，一個1uF的電容所產(chǎn)生的容抗約為3180歐姆。當220V的交流電壓加在電容器的兩端，則流過電容的最大電流約為70mA。雖然流過電容的電流有70mA，但在電容器上并不產(chǎn)生功耗，因為如果電容是一個理想電容，則流過電容的電流為虛部電流，它所作的功為無功功率。根據(jù)這個特點，我們?nèi)绻谝粋€1uF的電容器上再串聯(lián)一個阻性元件，則阻性元件兩端所得到的電壓和它所產(chǎn)生的功耗完全取決于這個阻性元件的特性。例如，我們將一個110V/8W的燈泡與一個1uF的電容串聯(lián)，在接到220V/50Hz的交流電壓上，燈泡被點亮，發(fā)出正常的亮度而不會被燒毀。因為110V/8W的燈泡所需的電流為8W/110V=72mA，它與1uF電容所產(chǎn)生的限流特性相吻合。同理，我們也可以將5W/65V的燈泡與1uF電容串聯(lián)接到220V/50Hz的交流電上，燈泡同樣會被點亮，而不會被燒毀。因為5W/65V的燈泡的工作電流也約為70mA。因此，電容降壓實際上是利用容抗限流。而電容器實際上起到一個限制電流和動態(tài)分配電容器和負載兩端電壓的角色。

采用電容降壓時應注意以下幾點：

1. 根據(jù)負載的電流大小和交流電的工作頻率選取適當?shù)碾娙荩皇且罁?jù)負載的電壓和功率。

2. 限流電容必須采用無極性電容，絕對不能采用電解電容。而且電容的耐壓須在400V以上。最理想的電容為鐵殼油浸電容。

3. 電容降壓不能用于大功率負載，因為不安全。

4. 電容降壓不適合動態(tài)負載。

5. 同樣，電容降壓不適合容性和感性負載。

6. 當需要直流工作時，盡量采用半波整流。不建議采用橋式整流， 因為全波整流產(chǎn)生浮置的地，并在零線和火線之間產(chǎn)生高壓，造成人體觸電傷害。而且要滿足恒定負載的條件。

容降壓式簡易電源的基本電路如圖1，C1為降壓電容器，VD2為半波整流二極管，VD1在市電的負半周時給C1提供放電回路，VD3是穩(wěn)壓二極管，R1為關斷電源后C1的電荷泄放電阻。在實際應用時常常采用的是圖2的所示的電路。當需要向負載提供較大的電流時，可采用圖3所示的橋式整流電路。

器件選擇

1.電路設計時，應先測定負載電流的準確值，然后參考示例來選擇降壓電容器的容量。因為通過降壓電容C1向負載提供的電流Io，實際上是流過C1的充放電電流Ic。C1容量越大，容抗Xc越小，則流經(jīng)C1的充、放電電流越大。當負載電流Io小于C1的充放電電流時，多余的電流就會流過穩(wěn)壓管，若穩(wěn)壓管的最大允許電流Idmax小于Ic-Io時易造成穩(wěn)壓管燒毀。

2.為保證C1可靠工作，其耐壓選擇應大于兩倍的電源電壓。

3.泄放電阻R1的選擇必須保證在要求的時間內(nèi)泄放掉C1上的電荷。

設計舉例

圖2中，已知C1為0.33μF，交流輸入為220V/50Hz，求電路能供給負載的最大電流。

C1在電路中的容抗Xc為：

Xc=1 /（2 πf C）= 1/（2*3.14*50*0.33*10-6）= 9.65K

流過電容器C1的充電電流（Ic）為：

Ic = U / Xc = 220 / 9.65 = 22mA。

通常降壓電容C1的容量C與負載電流Io的關系可近似認為：C=14.5I，其中C的容量單位是μF，Io的單位是A。

電容降壓式電源是一種非隔離電源，在應用上要特別注意隔離，防止觸電。

阻容降壓電源設計簡單，元件少，制造和使用都較可靠，在家電、照明等行業(yè)大量應用。但隨著技術的發(fā)展，產(chǎn)品種類越來越多，通過電網(wǎng)對阻容降壓電源產(chǎn)生越來越大的影響，表現(xiàn)為電阻發(fā)熱嚴重，甚至引起火災，起火案例呈上升趨勢。國家消防電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心2011年11月9日在《征求意見通知《電器產(chǎn)品消防安全通用要求》等三項》的意見是“民用電器產(chǎn)品中主電源降壓裝置不應使用阻容降壓方式”［1］。

許多廠家找不到原因，無法有效改進，給社會帶來嚴重隱患。本文通過理論分析、試驗測試、市場反饋調(diào)查，尋找阻容降壓電源起火的原因，進行針對性的改善，保護用戶的生命財產(chǎn)安全。

1 起火現(xiàn)象介紹

圖1為典型的阻容降壓電源原理圖，圖中MC2為起降壓作用的電容，R2為降低上電瞬間的浪涌電流的電阻（本文未特殊說明，所提到的電容和電阻就是這兩個元件）。起火的產(chǎn)品上，電阻下的PCB板發(fā)黑碳化，電阻溫度明顯過高，此高溫易引燃附近的塑料等易燃材料，最終引起火災。

2 起火原因分析

2.1 內(nèi)部原因

2.1.1 設計分析

以圖1為例，電容容量C為1 ？滋F，電阻為20 Ω（2 W），輸入電壓UN和頻率fN分別為220 V、50 Hz，則電阻流過的電流IN近似為：

IN=2πfNCUN≈0.06 9 A（1）

電阻消耗的功率為：

實測電阻溫度小于10 kΩ，這不會讓電阻發(fā)熱，引起電路板損壞和著火。

2.1.2 失效模式分析

表1對圖1進行失效模式分析，找到電阻過熱的兩個可能原因：“電容虛焊”和“電阻虛焊”。這兩個原因會引起焊點頻繁打火，等效為電容短路，產(chǎn)生峰值為11 A的浪涌電流，如浪涌電流持續(xù)，會讓電阻過熱。但實際情況是，失效樣品上的這些焊接明顯是可靠的，“電容虛焊”和“電阻虛焊”不是電阻發(fā)熱的主要原因。

2.1.3 品質(zhì)缺陷分析

圖1電路能通過《GB 4706.1 家用和類似用途電器的安全 第一部分：通用要求》所有測試標準，也能通過鹽霧、高溫高濕、高低溫交變等家電行業(yè)的常規(guī)測試，品質(zhì)缺陷不是電阻發(fā)熱的原因。

2.2 外部原因

對電阻過熱的用戶抽樣4個，檢查能引起電阻過熱的外部原因，統(tǒng)計結果見表2。從表中可以看出，電磁爐是最可能的原因。

為了驗證電磁爐對阻容降壓電源的影響，隨機購買一個電磁爐，采用圖1電路，按圖2配置做了一個模擬測試，模擬用戶環(huán)境，將電磁爐與阻容電路共用一個插排，測量電阻的溫度。圖中電感的作用是將電磁爐的干擾與電網(wǎng)隔開，防止干擾傳到電網(wǎng)。

將電磁爐開到2 000 W，環(huán)境溫度為24 ℃，測試發(fā)現(xiàn)在1 min內(nèi)，電阻的溫度上升到180 ℃，這種高溫能引起著火。

電磁爐的工作原理是由整流電路將市電變成約300 V的直流電壓，再經(jīng)過控制電路以20～40 kHz的頻率開關IGBT，將高頻高壓加到電磁爐線圈盤上，產(chǎn)生的交變磁場在鍋具底部產(chǎn)生渦流，使鍋底迅速發(fā)熱，然后再加熱器具內(nèi)的東西。

這種對高壓進行高頻通斷的操作方式產(chǎn)生強大的干擾，電磁爐行業(yè)因成本原因，一般都不會在電源端口加濾波元件，或加的濾波元件效果不大，端子騷擾電壓和騷擾功率遠遠高于其他家電標準，有大量的諧波信號耦合到電網(wǎng)中。高頻諧波信號施加到阻容降壓電路后，由于頻率與電容的容抗成反比，諧波將直接穿過電容，幾乎全部加到電阻上。實測干擾是幅值超過30 V、頻率與IGBT開關頻率的近似正弦波。

為具體說明電磁爐的影響，設電阻R為20 ，電容C為1 F，干擾頻率fr為20 kHz，干擾電壓Ur為30 V，計算加到電阻上的功率。

電容容抗XC：

電阻電流I：

電阻功率P：

P=I2R=38.8 W（5）

阻容降壓電源的電阻功率一般為2 W，如果加38.8 W，電阻溫度將非常高。

2.3 起火原因總結

從內(nèi)部查找原因，不管是從設計、制造，還是從測試方法上，均不能找到電阻過熱的原因，而從外部原因上能分析得出電磁爐是最可能的原因。市場不良于2010年開始大量產(chǎn)生，同期國家正實施家電下鄉(xiāng)補貼政策，有大量的電磁爐銷售，這些情況表明電磁爐是電阻溫度過高、引起火災的重要原因。

3 阻容降壓電源的改進

3.1 理論分析

已經(jīng)知道電磁爐能造成電阻過熱，進一步分析出微波爐、開關電源產(chǎn)品（手機充電器等）也有影響，它們的工作頻率均高于電磁爐，干擾能量低。對于高頻干擾，阻容降壓電路中串聯(lián)一個電感能抑制，如能抑制電磁爐的20 kHz的干擾，就能抑制更高頻率的電器干擾（其他電器干擾頻率高，但能量低），能防止目前市場上幾乎所有電器產(chǎn)生的干擾。

下面按圖1計算應能防干擾的電感的電感量L和電流。相關定義如下：

P：電阻最大功率，2 W；

R：電阻阻值，20 Ω；

C：電容容值，1 F；

UN：電網(wǎng)電壓，220 V；

fN：電網(wǎng)頻率，50 Hz；

T：電網(wǎng)周期，0.02 s；

IN：阻容降壓電源額定電流；

Ur：電磁爐干擾電壓，30 V；

fr：電磁爐干擾頻率，20 kHz以上；

Ir：電磁爐干擾電流；

I：電阻上總電流；

α：Ir與IN的相位差；

XL：電感在20 kHz時的感抗；

XC：電容在20 kHz時的容抗。

根據(jù)有效值的定義：

由于fr在20 kHz以上，式（6）后2項近似為零，由此得：

按式（7）得允許的最大電磁爐干擾電流為：

在電磁爐干擾時，有|（R+jXL-jXc）|Ir=Ur，所以電感的感抗XL為：

代入參數(shù)得XL=103.1 Ω

電感量L為：

取1.5 mH，計算出加了電感后的電路最終數(shù)據(jù)如下：

電阻所加最大功率P=I2×R=0.64 W。

為防止電感飽和，電感的電流規(guī)格應約為電阻總電流（0.179 A）的1.414倍，取0.25 A。所以圖1電阻過熱的解決方法是在阻容降壓電路上串聯(lián)一個1.5 mH/0.25 A的電感。

3.2 測試驗證

不同配置的阻容降壓電源串聯(lián)電感后，電阻的溫升數(shù)據(jù)見表3，可以看出溫升下降很多，改進有明顯效果。測試時有意選用電流低于理論值的電感，數(shù)據(jù)表明實際干擾低于理論值，電感均未飽和。

測試數(shù)據(jù)表明電感選型有以下規(guī)律：

（1）電感量選用大，就允許電流小，這對選用電感時考慮體積很重要。

（2）干擾抑制程度只與電感量有關系。電容容量和電阻阻值大時，應選用大電感量。

（3）電阻阻值過小時，發(fā)熱降低很多，但電流規(guī)格會大，需要考慮電感飽和。

4 總結

阻容降壓電源串聯(lián)電感能有效抑制電網(wǎng)上的各種諧波干擾，本方案實施已3年，生產(chǎn)約有300萬臺產(chǎn)品，未再有電阻過熱的案例發(fā)生。

實際應用時，電阻發(fā)熱會加熱電感，要考慮電感的居里溫度點，電感溫度超過居里溫度點就沒有感量。常見電感選用錳鋅鐵氧體（MX系列），居里溫度范圍為100±20 ℃，最低只有80 ℃。以風扇為例，夏天正常環(huán)境溫度為40 ℃，受到干擾后溫升為37 K，則電感溫度為77 ℃，可以保證正常工作；如果環(huán)境溫度為45 ℃，電感溫度將達到82 ℃，這將使一些電感失去感量，有一定的不良率。因此，設計時要讓電感盡量遠離電阻等發(fā)熱元件。

另外，本文僅從當前家電現(xiàn)狀進行分析，不排除會出現(xiàn)比電磁爐干擾更嚴重的電器產(chǎn)品出現(xiàn)，對此處理方法是：（1）確定電感規(guī)格時，優(yōu)選大電感量，擴大電感對干擾的抑制范圍；（2）采用非隔離BULK式開關電源。隨著開關電源芯片的大量普及使用，成本已經(jīng)和阻容降壓電源相當。