高压充电机防反峰电阻的设计计算

3349 浏览 • 2019-12-13 21:22
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前言

外置限流电阻是高压电源常用的保护器件之一,对负载短路、反峰等有良好的保护作用,但阻值过大容易造成充电效率低发热大,过小又容易起不到保护作用,本文介绍外置限流电阻的计算原则帮助您选用合适的限流电阻。

更新历史

2019年12月15日 - 初稿

作者:海伏科技——小涛(转载注明出处)
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限流电阻保护高压电源原理

反峰电阻原理

图1:反峰电阻保护原理

此文章为《高压电源反峰防护》的补充,关于什么是反峰,以及反峰为什么会损坏电源请查看:https://www.hvtop.com/class/51.html

如上图所示当电容放电至0V时刻,如果没有限流电阻的保护,放电回路的电流通过续流二极管构成放电回路,由于放电回路电流往往较大,通常为几十上百kA(千安)量级,续流二极管无法承受如此大的电流导致损坏。

加入限流电阻之后我们继续分析放电过程,由于放电回路中电感的存在在电容放电至0V的时刻放电环路中的电流不能突然降低为0,电流继续在放电环路中流动给电容反向充电,进而形成电压反峰。放电环路中的电流经过几个周期震荡之后逐渐衰减逐步降为0。由于限流电阻的引入限制流过续流二极管的电流,从而保护其不被损坏。

限流电阻的关键参数

电阻的耐压、电阻值、功率这三个参数是限流电阻重要的参数,下面依次介绍这几个参数的选取。

限流电阻耐压值

为什么第一个提到耐压,因为这个是重要也是容易忽视的参数。在选购时电阻的阻值、功率等关键参数我们比较容易获取到,但是部分厂家对电阻的耐压值标注的比较含糊,而且未必真正进行测试。即便是标注了耐压,有些是在绝缘油环境中的耐压,在空气中使用耐压值会大打折扣。所以实际使用时,限流电阻适合小阻值多个串联来达到设定的阻值,多个电阻共通分担整体的电压。并且在Z字型安装时需要注意电阻的首尾不要靠得太近要留有足够的绝缘距离。

限流电阻的阻值

限流电阻的阻值是一个需要权衡的问题,像前言中提到的阻值太大容易造成能量的浪费,过大的发热在系统集成时需要重点考虑如何散热;阻值过小容易导致续流二极管损坏起不到保护作用。

计算限流电阻阻值时可以按照下面的公式:

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

其中:
R为限流电阻阻值;
U_{RPeak}为反向峰值电压;
I_{max}为续流二极管能承受的最大峰值电流;

续流二极管能承受的最大峰值电流是有电流持续时间决定的,需要结合反峰时间查看二极管手册确定二极管峰值电流。

限流电阻的功率

限流电阻上消耗的功率有三部分分别是:充电过程中的发热、放电过程的发热、电源储能释放。

充电发热:对于恒流充电的充电机,电阻上功率可以用公式P=I^2RD来计算,P为电阻上的功率、I为充电电流、R为电阻值、D为充电时间占空比。

放电发热:放电过程的功率可以使用公式P=U^2/R \cdot tf 计算,U为反峰电压有效值(均方根值)、R为电阻值、t为反峰持续时间、f为放电重复频率。

电源内部储能:由储能电容放电较快,充电机内部电容通过限流电阻缓慢放电,所有能量全部消耗在限流电阻上,充电机储能导致的发热功率可以用公式W = Qf 其中Q为充电机内部储能、f为放电重复频率。

限流电阻总发热功率等于以上三部分相加,选用限流电阻的功率大于实际功率即可。

总结

限流电阻防反峰的方式是优缺点同样明显,优点是简单可靠,缺点是发热大效率低。实际使用时可以通过上述方法计算来确定一个比较合理的限流电阻阻值,从而达到理想的效果。

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