高壓充電機防反峰電阻的設計計算

前言

外置限流電阻是高壓電源常用的保護器件之一，對負載短路、反峰等有良好的保護作用，但阻值過大容易造成充電效率低發熱大，過小又容易起不到保護作用，本文介紹外置限流電阻的計算原則幫助您選用合適的限流電阻。

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2019年12月15日 - 初稿

作者：海伏科技——小濤（轉載注明出處）
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限流電阻保護高壓電源原理

圖1：反峰電阻保護原理

此文章為《高壓電源反峰防護》的補充，關于什么是反峰，以及反峰為什么會損壞電源請查看：http://www.sztoxda.net/class/51

如上圖所示當電容放電至0V時刻，如果沒有限流電阻的保護，放電回路的電流通過續流二極管構成放電回路，由于放電回路電流往往較大，通常為幾十上百kA（千安）量級，續流二極管無法承受如此大的電流導致損壞。

加入限流電阻之后我們繼續分析放電過程，由于放電回路中電感的存在在電容放電至0V的時刻放電環路中的電流不能突然降低為0，電流繼續在放電環路中流動給電容反向充電，進而形成電壓反峰。放電環路中的電流經過幾個周期震蕩之后逐漸衰減逐步降為0。由于限流電阻的引入限制流過續流二極管的電流，從而保護其不被損壞。

限流電阻的關鍵參數

電阻的耐壓、電阻值、功率這三個參數是限流電阻重要的參數，下面依次介紹這幾個參數的選取。

限流電阻耐壓值

為什么第一個提到耐壓，因為這個是重要也是容易忽視的參數。在選購時電阻的阻值、功率等關鍵參數我們比較容易獲取到，但是部分廠家對電阻的耐壓值標注的比較含糊，而且未必真正進行測試。即便是標注了耐壓，有些是在絕緣油環境中的耐壓，在空氣中使用耐壓值會大打折扣。所以實際使用時，限流電阻適合小阻值多個串聯來達到設定的阻值，多個電阻共通分擔整體的電壓。并且在Z字型安裝時需要注意電阻的首尾不要靠得太近要留有足夠的絕緣距離。

限流電阻的阻值

限流電阻的阻值是一個需要權衡的問題，像前言中提到的阻值太大容易造成能量的浪費，過大的發熱在系統集成時需要重點考慮如何散熱；阻值過小容易導致續流二極管損壞起不到保護作用。

計算限流電阻阻值時可以按照下面的公式：

\( R \geq \tfrac {U_{RPeak}} {I_{max}} \)

其中：
R為限流電阻阻值；
\( U_{RPeak} \)為反向峰值電壓；
\( I_{max} \)為續流二極管能承受的最大峰值電流；

續流二極管能承受的最大峰值電流是有電流持續時間決定的，需要結合反峰時間查看二極管手冊確定二極管峰值電流。

限流電阻的功率

限流電阻上消耗的功率有三部分分別是：充電過程中的發熱、放電過程的發熱、電源儲能釋放。

充電發熱：對于恒流充電的充電機，電阻上功率可以用公式\( P=I^2RD \)來計算，P為電阻上的功率、I為充電電流、R為電阻值、D為充電時間占空比。

放電發熱：放電過程的功率可以使用公式\( P=U^2/R \cdot tf \) 計算，U為反峰電壓有效值（均方根值）、R為電阻值、t為反峰持續時間、f為放電重復頻率。

電源內部儲能：由儲能電容放電較快，充電機內部電容通過限流電阻緩慢放電，所有能量全部消耗在限流電阻上，充電機儲能導致的發熱功率可以用公式W = Qf 其中Q為充電機內部儲能、f為放電重復頻率。

限流電阻總發熱功率等于以上三部分相加，選用限流電阻的功率大于實際功率即可。

總結

限流電阻防反峰的方式是優缺點同樣明顯，優點是簡單可靠，缺點是發熱大效率低。實際使用時可以通過上述方法計算來確定一個比較合理的限流電阻阻值，從而達到理想的效果。

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