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精读干货 | 如何有效防护开关电源输入过压现象

发布时间:2022-06-23      点击次数:226

摘要:本文简述了开关电源输入过压的危害,分析了输入过压对电源元器件电压应力的影响,同时给出如何有效防护的措施,推荐使用305全工况AC/DC电源,可较大提升电网波动时电源的可靠性。

关键字:开关电源;输入过压;电压应力;防护;305全工况

一、引言

输入电压过压是电网负载出现了较大的波动而引起的。例如在用电高峰时电压往往偏低,有设备停机时电压往往偏高。国家标准对电压波动等级有如下规定:

电网电压幅值实际变化范围随电网容量的大小、输配电设备质量的好坏、用电量的大小等条件不同而产生很大的差别。在供电较好的城市和工业区,变化范围通常只有±15%(264VAC)左右,超过264VAC电源有可能会损坏,严重时甚至会造成设备跳闸、着火,对人员和财产造成威胁。

而在供电条件下较差的农村和边远地区,或者电网存在负载变化很大设备的场景,如山区、公路隧道,充电桩、发电机供电等场合,变化范围则要大得多,有时甚至能够达到20%~30%(274~299VAC)。

二、输入过压时电源器件电压应力分析

以图2反激开关电源为例,分析当输入电压达305VAC时,根据电压应力情况如何选择合适的元器件。

1. 保险丝F1额定电压选择

保险丝的电压额定值必须大于或者等于断开电路的最大电压。由于保险丝的阻值非常低,只有当保险丝试图熔断时,保险丝的电压额定值才变得重要。当熔丝元件熔化后,保险丝必须能迅速断开,熄灭电弧,并且阻止开路电压通过断开的熔丝元件再次触发电弧。

保险丝常见规格有125V、250V、300V、400V,在应对输入电压波动较大的情况下,选择300V的保险丝。

2. 压敏电阻RV1额定电压选择

在实际应用中,压敏电阻RV1一般并联在电路中,当电路正常工作时,它处于高阻状态,不影响电路正常工作。当电路出现异常瞬时过电压 并达到其导通电压(压敏电压)时,压敏电阻迅速由高阻状态变为低阻状态,泄放由异常瞬时过电压导致的瞬时过电流,同时把异常瞬态过压钳制在一个安全水平之内,从而保护后级电路免遭异常瞬时过电压的损坏。

常见的压敏规格如下表:

压敏电阻电压值要大于实际电路中的电压峰值,即连续施加在压敏电阻两端的电源电压,要小于压敏电阻规格书中的“最大连续工作电压值",如上表,300VAC和385VDC显然不满足长时间305VAC工作,为了防止压敏损坏,在应对输入电压波动较大的情况下,需选择561的压敏电阻。

3. X电容CX1额定电压选择

X2安规电容的额定电压的一般有:275V / 305V / 310V,它们其实是通用的。出现这样的情况,主要是不同国家,不同安规认证要求的额定电压不一样导致的。CQC认证要求的额定电压是310VAC,其它国家要求为:275V、305VAC、310VAC。在应对输入电压波动较大的情况下,选择310V的X电容。

4. 桥堆BD1额定电压选择

在Vin=264VAC时,桥堆二极管最大应力为Vmax1=264×1.414=373V;

在Vin=305VAC时,桥堆二极管最大应力为Vmax2=305×1.414=431V。

由于开关电源需要做雷击浪涌试验,所以一般整流桥都选择600V以上的整流桥,为了满足更严苛的雷击环境,可以选择1000V的整流桥。

5. 电解电容C1额定电压选择

在Vin=264VAC时,电解电容最大应力为Vcmax1=264×1.414=373V;

在Vin=305VAC时,电解电容最大应力为Vcmax2=305×1.414=431V。

在应对输入电压波动较大的情况下,应选择450V的电解电容。

6. MOS管Q1额定电压选择

MOS管电压应力为


Vmos=VIN+VOR+VPK

其中 VIN 为输入电压,最高输入电压为431V, VOR 为反射电压,一般为:60-120V,与原副边匝比和输出电压成正相关,通过优化设计可以取80V或以下; VPK 为漏感产生的尖峰电压,一般为:100V左右,通过优化漏感和吸收参数可以取80V或以下。

所以MOS管Q1的工作电压应力为:431+120+100=651V,通过优化后MOS管Q1的工作电压应力为:431+80+80=591V,所以考虑到雷击或者305VAC输入的情况下,为了保证MOS管可靠的工作,至少得选取700V以上的MOS管,但也可以通过优化变压器匝比和漏感,选取650V的MOS管。

7. 二极管D1额定电压选择

二极管电压应力为


VD =VIN / n + V0 + VD-PK

其中 VD-PK 为副边漏感产生的尖峰电压,由于受不同输出电压和吸收参数影响较大,一般计算


VD ={VIN / n + V0 } × 1.5

假设输出电压 V0 =12V,二极管漏感尖峰 VD-PK =30V,MOS管漏感尖峰 VPK =80V,计算如下表:

由表1可以看出,常规开关电源只考虑到 VIN =373V,MOS管和二极管应力取值都会偏小,不能适用于  VIN =431V的情况,一旦输入电压超过373V,则有损坏的风险。

综上所述,以输出电压12V为例,考虑到雷击或者305VAC输入的情况下,为了保证二极管可靠的工作,至少得选150V以上的二极管,但也可以通过优化变压器匝比和漏感,选取100V的二极管。

三、输入过压防护要求

根据第二章节的计算,可知应对输入过压的工况,其中之一的办法就是优化元器件的电压应力,如

同时还可以通过加大电源内部电气间隙和爬电距离来保持高压线之间的安全距离,不会因为距离不足产生拉弧损坏样机或危害人身安全。

四、总结

本文说明了输入过压时会损坏电源和对人身造成危害,通过电源器件电压应力分析,确定开关电源关键元器件电压应力的选型依据,同时指出了可以通过优化元器件的电压应力和加大电源内部电气间隙和爬电距离来进行防护。

通过对比主流电源与“305工况"电源的元器件额定电压、电气间隙和爬电距离,推荐金升阳305全工况AC/DC电源,可有效的针对输入过压情况进行防护。同时还能应用在工作温湿度、海拔、电磁干扰等方面有更高要求的恶劣环境和特殊环境。


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