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如何有效防止開關(guān)模式電源的輸入過壓

發(fā)布時間:2022-12-05 責任編輯:lina

【導讀】輸入過壓會損壞電源并對人員造成傷害。如何避免輸入過壓?通過對電源元器件進行電壓應力分析,確定了開關(guān)模式電源的關(guān)鍵元器件選型指南。同時,增加電源的內(nèi)部電氣間隙和爬電距離,也有利于優(yōu)化電壓應力。


輸入過壓是由電網(wǎng)負載的巨大波動引起的。例如,在用電高峰期,電壓通常較低,而在設(shè)備關(guān)閉時,電壓則較高。


電網(wǎng)電壓幅值的實際變化范圍隨著電網(wǎng)容量、輸配電設(shè)備質(zhì)量、用電量以及其他因素的變化而變化很大。在擁有完善電源系統(tǒng)的城市和工業(yè)區(qū)里,變化范圍通常只有 ±15% 左右(最大值不超過 264 VAC)。如果確實超過 264 VAC,電源可能會損壞,甚至導致設(shè)備跳閘和/或引發(fā)火災,對安全和財產(chǎn)造成威脅。


但是,在供電條件差的國家和地區(qū),或者電網(wǎng)中存在負載變化大的設(shè)備的場合,如山區(qū)、高速公路隧道、充電站、發(fā)電機供電等,變化范圍就大得多。有時變化范圍可以達到 20%~30%(最大值可以達到 274~299 VAC)。


如何有效防止開關(guān)模式電源的輸入過壓

圖 1:惡劣工作環(huán)境下的電壓波形。(圖片來源:Mornsun Power)


輸入過壓下電源元器件的電壓應力分析


以圖 2 中的反激式開關(guān)模式電源為例,分析當輸入電壓達到 305 VAC 時,如何根據(jù)電壓應力選擇合適的元器件。


如何有效防止開關(guān)模式電源的輸入過壓

圖 2:反激式開關(guān)模式電源。(圖片來源:Mornsun Power)


1.保險絲 F1 的標稱電壓選擇


保險絲的標稱電壓必須大于或等于關(guān)斷電路的最大電壓。由于保險絲的電阻非常低,只有在試圖中斷電流時,其標稱電壓才變得重要。當保險絲元件熔斷時,保險絲必須能夠迅速斷開,熄滅電弧,并防止開路電壓通過斷開的保險絲元件再次引發(fā)電弧。


保險絲的常用規(guī)格為 125 V、250 V、300 V 和 400 V。為了應對輸入電壓的大幅波動,應選擇 300 V 的保險絲。


2.壓敏電阻 RV1 的標稱電壓選擇


在實際應用中,壓敏電阻 RV1 在電路中一般是并聯(lián)連接。當電路正常工作時,壓敏電阻處于高阻狀態(tài),這不會影響電路的正常工作。當電路出現(xiàn)異常瞬時過壓并達到其導通電壓(壓敏電阻電壓)時,壓敏電阻迅速從高阻狀態(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài),將異常瞬時過壓引起的瞬時過流排放掉,并將異常瞬時過壓鉗制在安全水平內(nèi),從而保護后續(xù)電路避免因異常瞬時過壓而受損。


壓敏電阻的常見規(guī)格如下:


如何有效防止開關(guān)模式電源的輸入過壓

表 1:S10K300 和 S10K350 的壓敏電阻電壓規(guī)格。(圖片來源:Mornsun Power)


壓敏電阻的電壓值應大于實際電路中的電壓峰值,即連續(xù)施加于壓敏電阻兩端的電源電壓應小于壓敏電阻規(guī)格中的“最大連續(xù)工作電壓值(交流和直流)”。如表 1 所示,300 VAC (385 VDC) 顯然不能滿足 305 VAC 的長期運行。為了防止壓敏電阻損壞,在輸入電壓波動較大的情況下,就有必要選擇 10D561 壓敏電阻。


3.X 電容器 CX1 的標稱電壓選擇


X2 安規(guī)電容器的標稱電壓一般為 275 V、305 V 或 310 V,這些電壓實際上是通用的。由于不同國家/地區(qū)的標稱電壓要求不同以及安全法規(guī)不同,X2 的標簽并不一定準確。例如,中國 CQC 認證所要求的標稱電壓是 310 VAC,而其他國家/地區(qū)則是 275 V、305 VAC 和 310 VAC。在輸入電壓波動較大的情況下,最好使用 310 V 的 X 電容器。


4.橋式整流器 BD1 的標稱電壓選擇


當 VIN = 264 VAC 時,橋式整流二極管的最大應力應該是:Vmax1 = 264 × √2 = 373 V。


當 VIN = 305 VAC 時,橋式整流二極管的最大應力應該是:Vmax2 = 305 × √2 = 431 V。


由于開關(guān)電源需要做雷擊電涌測試,因此一般會選擇標稱電壓大于 600 V 的橋式整流器。為了滿足更惡劣的電涌環(huán)境,也可以選擇 1000 V 的橋式整流器。


5.電解電容器 C1 的標稱電壓選擇


當 VIN = 264 VAC 時,該電解電容器的最大應力應該是:Vcmax1 = 264 × √2 = 373 V。


當 VIN = 305 VAC 時,該電解電容器的最大應力應該是:Vcmax2 = 305 × √2 = 431 V。


在輸入電壓波動較大的情況下,應選擇 450 V 的電解電容器。


6.MOS 晶體管 Q1 的標稱電壓選擇


MOS 晶體管的電壓應力 (Vmos) 等于:


如何有效防止開關(guān)模式電源的輸入過壓


VIN 指的是輸入電壓,最大輸入電壓為 431 V。


VOR 是反射電壓,一般為 60-120 V,與初級和次級的匝數(shù)比呈正相關(guān)性。通過優(yōu)化設(shè)計,這可以假設(shè)為 80 V 或更低。


VPK 是由電感產(chǎn)生的峰值電壓,一般在 100 V 左右;通過優(yōu)化漏電感和吸收率參數(shù),可以取為 80 V 或更低。


因此,MOS 晶體管 Q1 的工作電壓壓力應該是:431 + 120 + 100 = 651 V。經(jīng)過優(yōu)化后,Q1 的工作電壓應力可以是:431 + 80 + 80 = 591 V。因此,考慮到 305 VAC 輸入的電涌,為了保證 MOS 晶體管可靠工作,至少應選擇 700 V 的 MOS 晶體管,但在優(yōu)化變壓器的匝數(shù)比和漏電感后,也可以選擇 650 V 的 MOS 晶體管。


7.二極管 D1 的標稱電壓選擇


二極管電壓應力的計算公式為:


如何有效防止開關(guān)模式電源的輸入過壓


VD-PK 指的是由次級漏電感產(chǎn)生的峰值電壓。由于它受不同的輸出電壓和吸收率參數(shù)的影響很大,因此計算方法一般為:


如何有效防止開關(guān)模式電源的輸入過壓


假設(shè)輸出電壓為 12 V (VO = 12 V),二極管的漏感峰值為 30 V (VD-PK = 30 V),MOS 晶體管的漏電感峰值為 80 V (VPK = 80 V),計算如下:


如何有效防止開關(guān)模式電源的輸入過壓

表 2:匝數(shù)比、MOS 晶體管和二極管之間的電壓應力關(guān)系。(圖片來源:Mornsun Power)


從表 2 可以看出,傳統(tǒng)的開關(guān)模式電源只考慮 373 V 的輸入電壓 (VIN = 373 V),而 MOS 晶體管和二極管的數(shù)值會相對較小,因而無法用于 431 V 的輸入電壓。一旦輸入電壓超過 373 V,就會有損壞的風險。


綜上所述,以輸出電壓 12 V 為例,在電涌或輸入 305 VAC 的情況下,為了保證二極管可靠工作,至少應選擇 150 V 的二極管。然而,通過優(yōu)化變壓器的匝數(shù)比和漏電感,也可以選擇 100 V 的二極管。


輸入過壓的防護要求


根據(jù)上述計算,輸入過壓的最佳處理方法是優(yōu)化元器件的電壓應力,如元器件選擇 Mornsun 的 305RAC(所有條件下都可靠)電源。


如何有效防止開關(guān)模式電源的輸入過壓

表 3:Mornsun 的 305RAC 和主流電源在若干不同標稱電壓下的比較。(圖片來源:Mornsun Power)


同時,可以通過增加內(nèi)部電氣間隙和爬電距離來保持高壓線之間的安全距離,避免電弧對原型造成損壞或給人員帶來危險。


如何有效防止開關(guān)模式電源的輸入過壓

圖 3:反激式原理圖顯示為避免產(chǎn)生電弧的電路走線安全距離(見表 4)。(圖片來源:Mornsun Power)


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表 4:針對圖 3 中的電路對主流電源和 305RAC 電源的電氣間隙/爬電距離之比較。(圖片來源:Mornsun Power)


總結(jié)


輸入過壓會損壞電源并對人員造成傷害。如何避免輸入過壓?通過對電源元器件進行電壓應力分析,確定了開關(guān)模式電源的關(guān)鍵元器件選型指南。同時,增加電源的內(nèi)部電氣間隙和爬電距離,也有利于優(yōu)化電壓應力。


通過比較主流電源和 Mornsun "305 RAC" 電源之間元器件的標稱電壓、電氣間隙和爬電距離,305 RAC 交流/直流電源的功能可以有效地防護輸入過壓。此外,該電源還適用于對溫度、濕度、海拔、EMC 干擾等環(huán)境工作要求較高的惡劣和特殊環(huán)境。

(來源:中電網(wǎng),作者:Mornsun)


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