摘  要： 從電路理論、失效模式分析、品質(zhì)缺陷、電網(wǎng)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(jìn)行市場驗(yàn)證。起火原因是電磁爐等電器產(chǎn)生的干擾通過電網(wǎng)加到阻容降壓電源上的電阻，使電阻產(chǎn)生高溫，引起火災(zāi)。在阻容降壓電源上串聯(lián)規(guī)格適當(dāng)?shù)碾姼?，能降低加到電阻上的干擾功率。

　　關(guān)鍵詞： 阻容降壓；電阻發(fā)熱；起火

0 引言

　　阻容降壓電源設(shè)計(jì)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(yīng)用。但隨著技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品種類越來越多，通過電網(wǎng)對阻容降壓電源產(chǎn)生越來越大的影響，表現(xiàn)為電阻發(fā)熱嚴(yán)重，甚至引起火災(zāi)，起火案例呈上升趨勢。國家消防電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心2011年11月9日在《征求意見通知<電器產(chǎn)品消防安全通用要求>等三項(xiàng)》的意見是“民用電器產(chǎn)品中主電源降壓裝置不應(yīng)使用阻容降壓方式”[1]。

　　許多廠家找不到原因，無法有效改進(jìn)，給社會帶來嚴(yán)重隱患。本文通過理論分析、試驗(yàn)測試、市場反饋調(diào)查，尋找阻容降壓電源起火的原因，進(jìn)行針對性的改善，保護(hù)用戶的生命財(cái)產(chǎn)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(gè)元件)。起火的產(chǎn)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(zāi)。

2 起火原因分析

　　2.1 內(nèi)部原因

　　2.1.1 設(shè)計(jì)分析

　　以圖1為例，電容容量C為1 ?滋F，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：

　　IN=2πfNCUN≈0.06 9 A(1)

　　電阻消耗的功率為：

　　實(shí)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(jìn)行失效模式分析，找到電阻過熱的兩個(gè)可能原因：“電容虛焊”和“電阻虛焊”。這兩個(gè)原因會引起焊點(diǎn)頻繁打火，等效為電容短路，產(chǎn)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(shí)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。

　　2.1.3 品質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)，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(zhì)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(gè)，檢查能引起電阻過熱的外部原因，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。從表中可以看出，電磁爐是最可能的原因。

　　為了驗(yàn)證電磁爐對阻容降壓電源的影響，隨機(jī)購買一個(gè)電磁爐，采用圖1電路，按圖2配置做了一個(gè)模擬測試，模擬用戶環(huán)境，將電磁爐與阻容電路共用一個(gè)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(wǎng)隔開，防止干擾傳到電網(wǎng)。

　　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(nèi)，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(jīng)過控制電路以20～40 kHz的頻率開關(guān)IGBT，將高頻高壓加到電磁爐線圈盤上，產(chǎn)生的交變磁場在鍋具底部產(chǎn)生渦流，使鍋底迅速發(fā)熱，然后再加熱器具內(nèi)的東西。

　　這種對高壓進(jìn)行高頻通斷的操作方式產(chǎn)生強(qiáng)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他家電標(biāo)準(zhǔn)，有大量的諧波信號耦合到電網(wǎng)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(shí)測干擾是幅值超過30 V、頻率與IGBT開關(guān)頻率的近似正弦波。

　　為具體說明電磁爐的影響，設(shè)電阻R為20 ，電容C為1 F，干擾頻率fr為20 kHz，干擾電壓Ur為30 V，計(jì)算加到電阻上的功率。

　　電容容抗XC：

　　電阻電流I：

　　電阻功率P：

　　P=I2R=38.8 W(5)

　　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(jié)

　　從內(nèi)部查找原因，不管是從設(shè)計(jì)、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(chǎn)生，同期國家正實(shí)施家電下鄉(xiāng)補(bǔ)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(zāi)的重要原因。

3 阻容降壓電源的改進(jìn)

　　3.1 理論分析

　　已經(jīng)知道電磁爐能造成電阻過熱，進(jìn)一步分析出微波爐、開關(guān)電源產(chǎn)品（手機(jī)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(gè)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(chǎn)生的干擾。

　　下面按圖1計(jì)算應(yīng)能防干擾的電感的電感量L和電流。相關(guān)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 F；

　　UN：電網(wǎng)電壓，220 V；

　　fN：電網(wǎng)頻率，50 Hz；

　　T：電網(wǎng)周期，0.02 s；

　　IN：阻容降壓電源額定電流；

　　Ur：電磁爐干擾電壓，30 V；

　　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(shí)的感抗；

　　XC：電容在20 kHz時(shí)的容抗。

　　根據(jù)有效值的定義：

　　由于fr在20 kHz以上，式(6)后2項(xiàng)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(shí)，有|(R+jXL-jXc)|Ir=Ur，所以電感的感抗XL為：

　　代入?yún)?shù)得XL=103.1 Ω

　　電感量L為：

　　取1.5 mH，計(jì)算出加了電感后的電路最終數(shù)據(jù)如下：

　　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(yīng)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(gè)1.5 mH/0.25 A的電感。

　　3.2 測試驗(yàn)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(jù)見表3，可以看出溫升下降很多，改進(jìn)有明顯效果。測試時(shí)有意選用電流低于理論值的電感，數(shù)據(jù)表明實(shí)際干擾低于理論值，電感均未飽和。

　　測試數(shù)據(jù)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(shí)考慮體積很重要。

　　(2)干擾抑制程度只與電感量有關(guān)系。電容容量和電阻阻值大時(shí)，應(yīng)選用大電感量。

　　(3)電阻阻值過小時(shí)，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(jié)

　　阻容降壓電源串聯(lián)電感能有效抑制電網(wǎng)上的各種諧波干擾，本方案實(shí)施已3年，生產(chǎn)約有300萬臺產(chǎn)品，未再有電阻過熱的案例發(fā)生。

　　實(shí)際應(yīng)用時(shí)，電阻發(fā)熱會加熱電感，要考慮電感的居里溫度點(diǎn)，電感溫度超過居里溫度點(diǎn)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(fēng)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(dá)到82 ℃，這將使一些電感失去感量，有一定的不良率。因此，設(shè)計(jì)時(shí)要讓電感盡量遠(yuǎn)離電阻等發(fā)熱元件。

　　另外，本文僅從當(dāng)前家電現(xiàn)狀進(jìn)行分析，不排除會出現(xiàn)比電磁爐干擾更嚴(yán)重的電器產(chǎn)品出現(xiàn)，對此處理方法是：(1)確定電感規(guī)格時(shí)，優(yōu)選大電感量，擴(kuò)大電感對干擾的抑制范圍；(2)采用非隔離BULK式開關(guān)電源。隨著開關(guān)電源芯片的大量普及使用，成本已經(jīng)和阻容降壓電源相當(dāng)。