摘  要： 從電路理論,、失效模式分析、品質缺陷,、電網(wǎng)環(huán)境方面精確分析阻容降壓電源的起火原因,，找到解決方案并進行市場驗證。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。在阻容降壓電源上串聯(lián)規(guī)格適當?shù)碾姼?，能降低加到電阻上的干擾功率,。

　　關鍵詞： 阻容降壓；電阻發(fā)熱,；起火

0 引言

　　阻容降壓電源設計簡單,，元件少，制造和使用都較可靠,，在家電,、照明等行業(yè)大量應用。但隨著技術的發(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)熱嚴重,，甚至引起火災,，起火案例呈上升趨勢。國家消防電子產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗中心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》的意見是“民用電器產(chǎn)品中主電源降壓裝置不應使用阻容降壓方式”[1],。

　　許多廠家找不到原因,，無法有效改進，給社會帶來嚴重隱患,。本文通過理論分析,、試驗測試、市場反饋調查,，尋找阻容降壓電源起火的原因,，進行針對性的改善，保護用戶的生命財產(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。

2 起火原因分析

　　2.1 內部原因

　　2.1.1 設計分析

　　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進行失效模式分析，找到電阻過熱的兩個可能原因：“電容虛焊”和“電阻虛焊”,。這兩個原因會引起焊點頻繁打火,，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》所有測試標準,，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,，檢查能引起電阻過熱的外部原因,，統(tǒng)計結果見表2。從表中可以看出,，電磁爐是最可能的原因,。

　　為了驗證電磁爐對阻容降壓電源的影響，隨機購買一個電磁爐,，采用圖1電路,，按圖2配置做了一個模擬測試，模擬用戶環(huán)境,，將電磁爐與阻容電路共用一個插排,，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,，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,，然后再加熱器具內的東西。

　　這種對高壓進行高頻通斷的操作方式產(chǎn)生強大的干擾,，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遠高于其他家電標準,，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,。實測干擾是幅值超過30 V,、頻率與IGBT開關頻率的近似正弦波。

　　為具體說明電磁爐的影響,，設電阻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

　　從內部查找原因,，不管是從設計,、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，同期國家正實施家電下鄉(xiāng)補貼政策,，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、引起火災的重要原因,。

3 阻容降壓電源的改進

　　3.1 理論分析

　　已經(jīng)知道電磁爐能造成電阻過熱,，進一步分析出微波爐、開關電源產(chǎn)品（手機充電器等）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計算應能防干擾的電感的電感量L和電流,。相關定義如下：

　　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時的感抗,；

　　XC：電容在20 kHz時的容抗,。

　　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,，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1.5 mH/0.25 A的電感。

　　3.2 測試驗證

　　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，改進有明顯效果,。測試時有意選用電流低于理論值的電感,，數(shù)據(jù)表明實際干擾低于理論值，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，這對選用電感時考慮體積很重要,。

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

　　(3)電阻阻值過小時,，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

　　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。

　　實際應用時,，電阻發(fā)熱會加熱電感,，要考慮電感的居里溫度點，電感溫度超過居里溫度點就沒有感量,。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 ℃，電感溫度將達到82 ℃,，這將使一些電感失去感量,，有一定的不良率。因此,，設計時要讓電感盡量遠離電阻等發(fā)熱元件,。

　　另外，本文僅從當前家電現(xiàn)狀進行分析,，不排除會出現(xiàn)比電磁爐干擾更嚴重的電器產(chǎn)品出現(xiàn),，對此處理方法是：(1)確定電感規(guī)格時，優(yōu)選大電感量,，擴大電感對干擾的抑制范圍,；(2)采用非隔離BULK式開關電源。隨著開關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,。