阻容降壓電源的起火分析與改進

戴修敏

（廣東美的環(huán)境電器制造有限公司，廣東 中山528425）

阻容降壓電源的起火分析與改進

戴修敏

（廣東美的環(huán)境電器制造有限公司，廣東 中山528425）

從電路理論、失效模式分析、品質缺陷、電網環(huán)境方面精確分析阻容降壓電源的起火原因，找到解決方案并進行市場驗證。起火原因是電磁爐等電器產生的干擾通過電網加到阻容降壓電源上的電阻，使電阻產生高溫，引起火災。在阻容降壓電源上串聯(lián)規(guī)格適當?shù)碾姼校芙档图拥诫娮枭系母蓴_功率。

阻容降壓；電阻發(fā)熱；起火

0　引言

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，產品種類越來越多，通過電網對阻容降壓電源產生越來越大的影響，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。國家消防電子產品質量監(jiān)督檢驗中心2011年11月9日在 《征求意見通知<電器產品消防安全通用要求>等三項》的意見是“民用電器產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。

圖1　阻容降壓電源原理圖

2　起火原因分析

2.1內部原因

2.1.1設計分析

以圖1為例，電容容量C為1 μF，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：

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。

表1　失效模式分析

2.1.3品質缺陷分析

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。

表2　阻容降壓電源的用電環(huán)境分析

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隔開，防止干擾傳到電網。

圖2　阻容降壓電源的電磁爐測試

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，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，產生的交變磁場在鍋具底部產生渦流，使鍋底迅速發(fā)熱，然后再加熱器具內的東西。

這種對高壓進行高頻通斷的操作方式產生強大的干擾，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 Ω，電容C為 1 μF，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：

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 μF；

UN：電網電壓，220 V；

fN：電網頻率，50 Hz；

T：電網周期，0.02 s；

IN：阻容降壓電源額定電流；

Ur：電磁爐干擾電壓，30V；

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)據如下：

電感感抗XL=2πfrL=188.5 Ω；

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)據表明實際干擾低于理論值，電感均未飽和。

表3　阻容降壓電路串聯(lián)電感后電阻的溫升

測試數(shù)據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上的各種諧波干擾，本方案實施已3年，生產約有300萬臺產品，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，成本已經和阻容降壓電源相當。

[1]國家消防電子產品質量監(jiān)督檢驗中心．電器產品消防安全通用要求（征求意見稿）[EB/OL].(2011-11-09)[2014-08-14]．http://www.efire.cn/Shownews.aspx?id=540.

Analysis and improvement of fire about RC power supply

Dai Xiumin
(GD Midea Environment Appliances MFG Co.，Ltd.，Zhongshan 528425，China)

The accurate analysis of the causes of fire about Resistance Capacitance Power Supply(RC Power Supply)is given from the circuit theory,failure mode analysis,quality defects and the grid environment，to find the solution,and the market validation is done.The cause of the fire is that the interference of electromagnetic cooker and other appliances affects the resistance in the RC power supply by power grid,so that the resistance produces high temperature and fires.The series appropriate inductance in the RC power supply can reduce the interference power which is applied to the resistance.

RC power supply；resistance heating；fire

V242.2

A

0258-7998(2015)01-0142-03

10.16157/j.cnki.0258-7998.2014081402955

（2014-08-14）

戴修敏（1975-），男，工程師，主要研究方向：家用電器電控設計。