充电器用正温度系数热敏电阻

中心议题：

• 详解充电器用正温度系数热敏电阻
• 电容器在充电开始时发生短路的故障分析

自我防护式充电电阻器以PTC（正温度系数）陶瓷为基础，用于平滑电源中的电容器。当发生短路时，它们会将电流限定在安全水平。

普通电阻在电容充电时常用来限制电流。不过，这常有技术风险。举例来说，当短接电容器时，如果电容器短路或者继电器失灵，电阻器将持续暴露在大功率电平下。这可能导致电阻器或者整个系统遭到破坏。爱普科斯采用基于PTC陶瓷的新式J20X系列充电电阻器，现已研发出一种专业解决方案：在自我防护的同时，还实现了相对紧凑的尺寸。如下表所示，J20X系列包括J201、J202和J204产品。



J20X系列的典型应用范围为500 W至50 kW功率范围内的工业电源、变频器以及UPS（不间断电源）系统。在这些应用中，链路电容器用于平整生成的直流电压或者在链路中用作储能装置。

当电容器充电时，通常需要串联一个电阻器来限制充电电流，以免产生超过允许范围的强电流峰值。一般是采用固定式普通电阻或负温度系数（NTC）电阻实现这一功能。在大多数情况下，会在充电之后使用一个由时间或电压控制的继电器来短接限流元件。充电电流的制约对整流器和转换器系统来说非常重要，因为产生的冲击电流峰值如果未得到限制，可能会触发熔丝或使整流器遭受超过允许范围的强电流。图1所示为传统整流器或转换器系统的方块图。



如果运行时没有干扰，那么上述普通电阻器和继电器的组合足以限制充电电流。不过，在充电期间或充电后发生的干扰可能会导致这些电阻器彻底失灵，并因此导致系统其它元件的全面故障。

为处理典型故障，比如电容器短路或短路开关失灵，建议使用J20X系列自我防护式充电电阻器。在无故障充电中，这些元件的作用就像固定式普通电阻器，可制约充电电流的峰值。当发生故障时，PTC陶瓷的温度和内阻将随加大的欧姆损耗一同增加（见图2），并将电流限定在安全级别。



相比之下，如果将固定电阻器用作充电电流限制器，上述故障将导致电阻器产生相当高的功率耗损，这会要求元件要有一定大的尺寸，这很不经济。以下特殊实例（见图3）可清楚说明这一功能原理。

可以使用下面的公式计算出所需J20X系列元件的数量：



如果说元件B59204J0130B010大约有2 J／K的热容，参考温度为130℃，那么既可串联也可并联两元件。满足上述等式可确保PTC陶瓷在充电完毕之前不会超出参考温度，并且维持在低电阻范围内。

当达到电容器95％的极限充电电压时，并联的J20X元件将被短路，同时将接入负荷（以260 Ω固定电阻器为代表）。因此两个J204元件构成的并联电路的性能与一个50 Ω的固定电阻相当。有关无故障充电的情况，请参见图4所示电流时间图。



在这两种情况下，充电电流的时间曲线几乎相同。PTC陶瓷与固定电阻在电流特性方面的细微差别的产生原因是：
* PTC热敏电阻的电阻温度特性形状特殊；另外，
* PTC陶瓷在开启时的对电压的依赖性非常强。在计算峰值冲击电流时，一定要考虑电压依赖性。

约过190 ms之后，充电完毕，充电电阻器便会短路。能量吸收曲线以及加热程度同样相差无几（见图5）。二者的最高点均与电容器在短路时的能量相对应。


当发生故障时，PTC热敏电阻用作限流元件的优势就会十分明显。如果继电器接通失败，负荷电流将流经充电电阻器，并产生强大的热应力，这要求电阻器有相应的尺寸。若采用基于PTC陶瓷的充电电阻器，其电阻会由于强大的起始功率损耗而升至数10 k，从而能够在故障发生期间限定电流（参见图6）。在约三秒之后，先流经两电阻器然后流经总体电路的电流已跌至数10 mA。有关吸取能量的比较，请参见图7。



在进入高阻状态后，PTC陶瓷将能量吸收限定为非关键值，而固定欧姆电阻器的吸收能量则呈直线上升。在该实例中，考虑到温度降额，固定电阻器必须具有200 W以上的额定功率，才能防止过热以及随后的损坏。

故障——电容器在充电开始时发生短路
强大的冲击电流在约150 ms之后使两个自我防护式充电电阻器产生高电阻性，进而限制电流。而流经固定电阻器的电流则仅由极低的电源线电阻进行限定，因此固定电阻器中会产生非常高功率的能量转换。


在短时间内，并联的两个自我防护式充电电阻器与外界达到热平衡，同时由于PTC陶瓷的高电阻值，吸收的能量仅有略微上升。最终产生的能量吸收与图7所示类似。

上述故障——电容器在充电开始时发生短路——表示：充电电阻器上存在极高的负荷。因此，J201充电电阻器需要额外使用一个固定电阻器限定短路电流。不过充电电阻器J202和J204的应用则无需使用固定电阻器作任何额外保护。