充電器用正溫度系數(shù)熱敏電阻

中心議題：

• 詳解充電器用正溫度系數(shù)熱敏電阻
• 電容器在充電開始時發(fā)生短路的故障分析

自我防護(hù)式充電電阻器以PTC（正溫度系數(shù)）陶瓷為基礎(chǔ)，用于平滑電源中的電容器。當(dāng)發(fā)生短路時，它們會將電流限定在安全水平。

普通電阻在電容充電時常用來限制電流。不過，這常有技術(shù)風(fēng)險。舉例來說，當(dāng)短接電容器時，如果電容器短路或者繼電器失靈，電阻器將持續(xù)暴露在大功率電平下。這可能導(dǎo)致電阻器或者整個系統(tǒng)遭到破壞。愛普科斯采用基于PTC陶瓷的新式J20X系列充電電阻器，現(xiàn)已研發(fā)出一種專業(yè)解決方案：在自我防護(hù)的同時，還實現(xiàn)了相對緊湊的尺寸。如下表所示，J20X系列包括J201、J202和J204產(chǎn)品。



J20X系列的典型應(yīng)用范圍為500 W至50 kW功率范圍內(nèi)的工業(yè)電源、變頻器以及UPS（不間斷電源）系統(tǒng)。在這些應(yīng)用中，鏈路電容器用于平整生成的直流電壓或者在鏈路中用作儲能裝置。

當(dāng)電容器充電時，通常需要串聯(lián)一個電阻器來限制充電電流，以免產(chǎn)生超過允許范圍的強(qiáng)電流峰值。一般是采用固定式普通電阻或負(fù)溫度系數(shù)（NTC）電阻實現(xiàn)這一功能。在大多數(shù)情況下，會在充電之后使用一個由時間或電壓控制的繼電器來短接限流元件。充電電流的制約對整流器和轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)來說非常重要，因為產(chǎn)生的沖擊電流峰值如果未得到限制，可能會觸發(fā)熔絲或使整流器遭受超過允許范圍的強(qiáng)電流。圖1所示為傳統(tǒng)整流器或轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的方塊圖。



如果運(yùn)行時沒有干擾，那么上述普通電阻器和繼電器的組合足以限制充電電流。不過，在充電期間或充電后發(fā)生的干擾可能會導(dǎo)致這些電阻器徹底失靈，并因此導(dǎo)致系統(tǒng)其它元件的全面故障。

為處理典型故障，比如電容器短路或短路開關(guān)失靈，建議使用J20X系列自我防護(hù)式充電電阻器。在無故障充電中，這些元件的作用就像固定式普通電阻器，可制約充電電流的峰值。當(dāng)發(fā)生故障時，PTC陶瓷的溫度和內(nèi)阻將隨加大的歐姆損耗一同增加（見圖2），并將電流限定在安全級別。



相比之下，如果將固定電阻器用作充電電流限制器，上述故障將導(dǎo)致電阻器產(chǎn)生相當(dāng)高的功率耗損，這會要求元件要有一定大的尺寸，這很不經(jīng)濟(jì)。以下特殊實例（見圖3）可清楚說明這一功能原理。

可以使用下面的公式計算出所需J20X系列元件的數(shù)量：



如果說元件B59204J0130B010大約有2 J／K的熱容，參考溫度為130℃，那么既可串聯(lián)也可并聯(lián)兩元件。滿足上述等式可確保PTC陶瓷在充電完畢之前不會超出參考溫度，并且維持在低電阻范圍內(nèi)。

當(dāng)達(dá)到電容器95％的極限充電電壓時，并聯(lián)的J20X元件將被短路，同時將接入負(fù)荷（以260 Ω固定電阻器為代表）。因此兩個J204元件構(gòu)成的并聯(lián)電路的性能與一個50 Ω的固定電阻相當(dāng)。有關(guān)無故障充電的情況，請參見圖4所示電流時間圖。



在這兩種情況下，充電電流的時間曲線幾乎相同。PTC陶瓷與固定電阻在電流特性方面的細(xì)微差別的產(chǎn)生原因是：
* PTC熱敏電阻的電阻溫度特性形狀特殊；另外，
* PTC陶瓷在開啟時的對電壓的依賴性非常強(qiáng)。在計算峰值沖擊電流時，一定要考慮電壓依賴性。

約過190 ms之后，充電完畢，充電電阻器便會短路。能量吸收曲線以及加熱程度同樣相差無幾（見圖5）。二者的最高點均與電容器在短路時的能量相對應(yīng)。


當(dāng)發(fā)生故障時，PTC熱敏電阻用作限流元件的優(yōu)勢就會十分明顯。如果繼電器接通失敗，負(fù)荷電流將流經(jīng)充電電阻器，并產(chǎn)生強(qiáng)大的熱應(yīng)力，這要求電阻器有相應(yīng)的尺寸。若采用基于PTC陶瓷的充電電阻器，其電阻會由于強(qiáng)大的起始功率損耗而升至數(shù)10 k，從而能夠在故障發(fā)生期間限定電流（參見圖6）。在約三秒之后，先流經(jīng)兩電阻器然后流經(jīng)總體電路的電流已跌至數(shù)10 mA。有關(guān)吸取能量的比較，請參見圖7。



在進(jìn)入高阻狀態(tài)后，PTC陶瓷將能量吸收限定為非關(guān)鍵值，而固定歐姆電阻器的吸收能量則呈直線上升。在該實例中，考慮到溫度降額，固定電阻器必須具有200 W以上的額定功率，才能防止過熱以及隨后的損壞。

故障——電容器在充電開始時發(fā)生短路
強(qiáng)大的沖擊電流在約150 ms之后使兩個自我防護(hù)式充電電阻器產(chǎn)生高電阻性，進(jìn)而限制電流。而流經(jīng)固定電阻器的電流則僅由極低的電源線電阻進(jìn)行限定，因此固定電阻器中會產(chǎn)生非常高功率的能量轉(zhuǎn)換。


在短時間內(nèi)，并聯(lián)的兩個自我防護(hù)式充電電阻器與外界達(dá)到熱平衡，同時由于PTC陶瓷的高電阻值，吸收的能量僅有略微上升。最終產(chǎn)生的能量吸收與圖7所示類似。

上述故障——電容器在充電開始時發(fā)生短路——表示：充電電阻器上存在極高的負(fù)荷。因此，J201充電電阻器需要額外使用一個固定電阻器限定短路電流。不過充電電阻器J202和J204的應(yīng)用則無需使用固定電阻器作任何額外保護(hù)。