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充電器用正溫度系數(shù)熱敏電阻保證無故障充電

發(fā)布時間:2011-06-20 來源:PTC熱敏電阻產(chǎn)品營銷經(jīng)理

中心議題:
  • 詳解充電器用正溫度系數(shù)熱敏電阻
  • 電容器在充電開始時發(fā)生短路的故障分析

自我防護式充電電阻器以PTC(正溫度系數(shù))陶瓷為基礎(chǔ),用于平滑電源中的電容器。當發(fā)生短路時,它們會將電流限定在安全水平。

普通電阻在電容充電時常用來限制電流。不過,這常有技術(shù)風險。舉例來說,當短接電容器時,如果電容器短路或者繼電器失靈,電阻器將持續(xù)暴露在大功率電平下。這可能導致電阻器或者整個系統(tǒng)遭到破壞。愛普科斯采用基于PTC陶瓷的新式J20X系列充電電阻器,現(xiàn)已研發(fā)出一種專業(yè)解決方案:在自我防護的同時,還實現(xiàn)了相對緊湊的尺寸。如下表所示,J20X系列包括J201、J202和J204產(chǎn)品。



J20X系列的典型應用范圍為500 W至50 kW功率范圍內(nèi)的工業(yè)電源、變頻器以及UPS(不間斷電源)系統(tǒng)。在這些應用中,鏈路電容器用于平整生成的直流電壓或者在鏈路中用作儲能裝置。

當電容器充電時,通常需要串聯(lián)一個電阻器來限制充電電流,以免產(chǎn)生超過允許范圍的強電流峰值。一般是采用固定式普通電阻或負溫度系數(shù)(NTC)電阻實現(xiàn)這一功能。在大多數(shù)情況下,會在充電之后使用一個由時間或電壓控制的繼電器來短接限流元件。充電電流的制約對整流器和轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)來說非常重要,因為產(chǎn)生的沖擊電流峰值如果未得到限制,可能會觸發(fā)熔絲或使整流器遭受超過允許范圍的強電流。圖1所示為傳統(tǒng)整流器或轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的方塊圖。



如果運行時沒有干擾,那么上述普通電阻器和繼電器的組合足以限制充電電流。不過,在充電期間或充電后發(fā)生的干擾可能會導致這些電阻器徹底失靈,并因此導致系統(tǒng)其它元件的全面故障。

為處理典型故障,比如電容器短路或短路開關(guān)失靈,建議使用J20X系列自我防護式充電電阻器。在無故障充電中,這些元件的作用就像固定式普通電阻器,可制約充電電流的峰值。當發(fā)生故障時,PTC陶瓷的溫度和內(nèi)阻將隨加大的歐姆損耗一同增加(見圖2),并將電流限定在安全級別。



相比之下,如果將固定電阻器用作充電電流限制器,上述故障將導致電阻器產(chǎn)生相當高的功率耗損,這會要求元件要有一定大的尺寸,這很不經(jīng)濟。以下特殊實例(見圖3)可清楚說明這一功能原理。

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上述電路采用三相橋式整流器,并將其接至相導線電壓為400 VRMS的電源中。其中平滑電容器的電容為940 μF。并聯(lián)電路含有兩個B59204J0130B010型充電電阻器,用于限定沖擊電流。亦稱為零電位電阻器,其額定電阻在25℃的環(huán)境溫度下為100 ?。在這種情況下,需要并聯(lián)兩元件:因為電能必須在充電期間內(nèi)傳到電容器,這會使單個B59204J0130B010電阻器開始發(fā)熱,直至溫度高出允許范圍,結(jié)果便導致電阻大大加強。這一情況應當避免,否則將無法對鏈路電容器進行徹底充電。

可以使用下面的公式計算出所需J20X系列元件的數(shù)量:



如果說元件B59204J0130B010大約有2 J/K的熱容,參考溫度為130℃,那么既可串聯(lián)也可并聯(lián)兩元件。滿足上述等式可確保PTC陶瓷在充電完畢之前不會超出參考溫度,并且維持在低電阻范圍內(nèi)。

當達到電容器95%的極限充電電壓時,并聯(lián)的J20X元件將被短路,同時將接入負荷(以260 Ω固定電阻器為代表)。因此兩個J204元件構(gòu)成的并聯(lián)電路的性能與一個50 Ω的固定電阻相當。有關(guān)無故障充電的情況,請參見圖4所示電流時間圖。



在這兩種情況下,充電電流的時間曲線幾乎相同。PTC陶瓷與固定電阻在電流特性方面的細微差別的產(chǎn)生原因是:
    * PTC熱敏電阻的電阻溫度特性形狀特殊;另外,
    * PTC陶瓷在開啟時的對電壓的依賴性非常強。在計算峰值沖擊電流時,一定要考慮電壓依賴性。

約過190 ms之后,充電完畢,充電電阻器便會短路。能量吸收曲線以及加熱程度同樣相差無幾(見圖5)。二者的最高點均與電容器在短路時的能量相對應。


當發(fā)生故障時,PTC熱敏電阻用作限流元件的優(yōu)勢就會十分明顯。如果繼電器接通失敗,負荷電流將流經(jīng)充電電阻器,并產(chǎn)生強大的熱應力,這要求電阻器有相應的尺寸。若采用基于PTC陶瓷的充電電阻器,其電阻會由于強大的起始功率損耗而升至數(shù)10 k,從而能夠在故障發(fā)生期間限定電流(參見圖6)。在約三秒之后,先流經(jīng)兩電阻器然后流經(jīng)總體電路的電流已跌至數(shù)10 mA。有關(guān)吸取能量的比較,請參見圖7。



在進入高阻狀態(tài)后,PTC陶瓷將能量吸收限定為非關(guān)鍵值,而固定歐姆電阻器的吸收能量則呈直線上升。在該實例中,考慮到溫度降額,固定電阻器必須具有200 W以上的額定功率,才能防止過熱以及隨后的損壞。[page]

故障——電容器在充電開始時發(fā)生短路
強大的沖擊電流在約150 ms之后使兩個自我防護式充電電阻器產(chǎn)生高電阻性,進而限制電流。而流經(jīng)固定電阻器的電流則僅由極低的電源線電阻進行限定,因此固定電阻器中會產(chǎn)生非常高功率的能量轉(zhuǎn)換。


在短時間內(nèi),并聯(lián)的兩個自我防護式充電電阻器與外界達到熱平衡,同時由于PTC陶瓷的高電阻值,吸收的能量僅有略微上升。最終產(chǎn)生的能量吸收與圖7所示類似。

上述故障——電容器在充電開始時發(fā)生短路——表示:充電電阻器上存在極高的負荷。因此,J201充電電阻器需要額外使用一個固定電阻器限定短路電流。不過充電電阻器J202和J204的應用則無需使用固定電阻器作任何額外保護。
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