電壓降僅為50mV的MOSFET冗余模塊YR80.241

1前言

24V直流電源電壓的故障通常意味著重大的安全隱患或經(jīng)濟(jì)損失。全天候可靠、不間斷地供應(yīng)24V電源也就變得越來越重要，尤其是隨著電力系統(tǒng)越來越智能化，過程越來越復(fù)雜、高效。它不僅適用于工業(yè)體系，也適用于很多其他領(lǐng)域。

在電信行業(yè)，過程工業(yè)和發(fā)電廠基站等領(lǐng)域中，冗余電源系統(tǒng)是當(dāng)前最常見的應(yīng)用。在諸如交通控制系統(tǒng)、隧道監(jiān)視和門禁系統(tǒng)等領(lǐng)域，冗余工作方式越來越普遍，越來越重要。普爾世（PULS）已開發(fā)出了兩種新型冗余模塊，用于該領(lǐng)域的大功率應(yīng)用。和標(biāo)準(zhǔn)24V電源一起可以構(gòu)建大功率冗余系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1普爾世冗余模塊

2冗余技術(shù)現(xiàn)狀

借助于低損耗的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）技術(shù)，普爾世第一次實(shí)現(xiàn)了只需要一個(gè)冗余模塊就可以構(gòu)建40A冗余系統(tǒng)的目標(biāo)。在這個(gè)功率范圍內(nèi)的各個(gè)電源不再需要兩個(gè)單獨(dú)的模塊。

在最簡單的方案中，冗余意味著兩個(gè)電源并聯(lián)，每個(gè)電源可以獨(dú)自供應(yīng)負(fù)載。這種方案稱為1+1冗余。如圖2所示。

更高輸出的電流采用N+1冗余系統(tǒng)。在120A負(fù)載電流的實(shí)例中，4個(gè)40A的裝置以冗余模式運(yùn)行。如果其中一個(gè)裝置出現(xiàn)故障，其余三個(gè)電源可以繼續(xù)、安全的提供120A電流。

圖240A1+1冗余系統(tǒng)

3普爾世冗余模塊的技術(shù)特點(diǎn)

通常情況下，冗余供電系統(tǒng)為單個(gè)電源的并聯(lián)使用。由于標(biāo)準(zhǔn)電源的輸出端口通常沒有去耦二極管，這些裝置必須使用冗余模塊連接起來。這也就意味著即使在電源輸出級(jí)短路或缺陷的情況下，系統(tǒng)仍保持冗余狀態(tài)。

冗余系統(tǒng)要求監(jiān)視各個(gè)獨(dú)立電源的功能，確保盡早檢測(cè)到故障，啟動(dòng)維護(hù)程序。為此，可使用電源的DC-OK信號(hào)。

3.1電壓降僅為50mV[1]的“去耦二極管”

標(biāo)準(zhǔn)冗余模塊中的外延二極管或肖特基二極管會(huì)在輸入和輸出之間引起（500~800）mV[2]電壓降。根據(jù)負(fù)載電路的不同，功率損耗可能會(huì)很高，并導(dǎo)致發(fā)熱問題。在新型的YR40.241（40A）和YR80.241（80A）冗余模塊中，已經(jīng)首次將傳統(tǒng)的二極管換成了MOSFET。乍看這樣更換并非什么重大的突破，因?yàn)轭愃七@樣的“同步整流法”已經(jīng)普遍應(yīng)用于各種電源輸出級(jí)。安裝了外部冗余模塊之后，還需要考慮意外的工作狀況，諸如短路、極性反接或負(fù)載反饋，這些問題一點(diǎn)也不容易解決。

如果負(fù)載或電纜敷設(shè)時(shí)出現(xiàn)短路，電源電壓降出現(xiàn)故障，導(dǎo)致在冗余模塊上實(shí)際并無可用電壓。然而，冗余模塊中的MOSFET必需保持供電狀態(tài)，使得短路電流的功率損耗更低。如果MOSFET的電源故障，整個(gè)電流會(huì)另外流經(jīng)MOSFET的“體二極管”，導(dǎo)致MOSFET的功率損耗升高15倍左右。為避免出現(xiàn)這種情況，使用了獲得專利權(quán)的電路，以便從最低的剩余電壓中產(chǎn)生適當(dāng)?shù)碾娫措妷?。這種方法在接通電源時(shí)出現(xiàn)短路現(xiàn)象、或者輸入電壓反接的情形下尤其重要。新的電路也允許出現(xiàn)這些情形。

MOSFET冗余模塊的優(yōu)點(diǎn)不言而喻。MOSFET的導(dǎo)通電阻較低，使得電壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于使用二極管時(shí)的電壓降。輸出電流為40A時(shí)，YR80.241輸入端和輸出端的差異僅為50mV。如圖3所示。使用傳統(tǒng)的二極管模塊時(shí)，電壓降至少為500mV。同樣，二極管的功率消耗至少升高10倍，并且需要大型散熱器進(jìn)行冷卻。如圖4所示。MOSFET冗余模塊YR80.241在輸出電流為40A時(shí)，功率損耗僅為2.7W。這不僅包括MOSFET的功率損耗，也包括終端、內(nèi)部線路和所需電路的功率損耗。不需要散熱器。

圖4冗余模塊的功率損耗曲線

3.2不帶散熱器的80AMOSFET冗余模塊

YR80.241冗余模塊含有兩個(gè)40A輸入端和一個(gè)80A輸出端，短期內(nèi)可超載160%。這就使得輸出電流達(dá)到40A的電源1+1或N+1冗余系統(tǒng)僅使用一個(gè)冗余模塊。由于功率損耗較低，內(nèi)部無需安裝散熱器，并且裝置的寬度可以限制到46mm。如圖5所示。該模塊可防止短路、避免極性反接，在-40℃和+70℃之間可實(shí)現(xiàn)全功率運(yùn)行。諸如制動(dòng)電機(jī)之類的反饋型負(fù)載最高電壓甚至允許達(dá)到40Vdc。為適于全球使用，我們正在計(jì)劃一種綜合的國際認(rèn)證包，除了很多安全認(rèn)證之外，還包括ATEX（防爆指令）認(rèn)證。

對(duì)于小一些的輸出電流，YR40.241冗余模塊的最高輸出電流為40A，寬度限制在36mm。

圖6冗余系統(tǒng)外觀尺寸

同理，使用YR40.241冗余模塊和20A電源實(shí)現(xiàn)了20A冗余系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
除了這兩個(gè)高電流冗余模塊之外，普爾世還提供了帶二極管的冗余模塊，適用于較小和中等輸出電路。這些模塊可具備或不具備綜合監(jiān)控功能。監(jiān)控器可識(shí)別低于固定閾值的電源的輸出電壓，并適時(shí)打開信號(hào)接點(diǎn)。如果電源本身沒有DC-OK信號(hào)，這種功能就顯得至關(guān)重要。

4總結(jié)

由于采用MOSFET新技術(shù)，冗余模塊的功率損耗進(jìn)一步降低，實(shí)現(xiàn)了40A的1+1冗余也只需要一個(gè)冗余模塊就能實(shí)現(xiàn)，極大節(jié)省了設(shè)計(jì)成本，降低了功率損耗，在當(dāng)今以環(huán)保為理念的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，該技術(shù)必將大放異彩，得到廣泛的應(yīng)用。

普爾世擁有豐富的產(chǎn)品，通常不需要定制復(fù)雜的解決方案，工程師完全可以放心使用設(shè)計(jì)上乘的、經(jīng)過全面測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。

在設(shè)計(jì)冗余系統(tǒng)的時(shí)候，推薦的可靠冗余操作方法如下。

⑴每個(gè)電源使用單獨(dú)的輸入保險(xiǎn)絲。

⑵如有可能，將電源連接到不同的相位或主電路上。

⑶使用三相電源，其中一個(gè)相位故障時(shí)，確保功能安全。

⑷一定要使用冗余模塊或去耦二極管。

⑸所有電源必須單獨(dú)監(jiān)控。如出現(xiàn)故障，需盡早檢測(cè)，立即矯正。為此，可使用電源的DC-OK信號(hào)。

⑹盡量均勻設(shè)置輸出電壓。如裝置帶有“并聯(lián)使用”功能，將其設(shè)為“并聯(lián)使用”模式。

圖5YR80.241外觀

3.3強(qiáng)大的產(chǎn)品系列——QT40.241和YR80.241

直到最近，單個(gè)40A電源在DIN-rail上所需的空間超過全冗余系統(tǒng)所需的空間。全冗余系統(tǒng)包括兩個(gè)三相40A電源（QT40.241）和一個(gè)YR80.241冗余模塊。此處266mm的寬度就足夠了。在單相系統(tǒng)中可以使用QS40.241電源。這就使得總寬度達(dá)到296mm。如圖6所示。較高的部分負(fù)載效率和新型的40A電源的“并聯(lián)使用”模式尤其具有優(yōu)勢(shì)。這種模式確保單個(gè)電源的負(fù)載電流保持唯一，這樣有利于整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。集成輸入保險(xiǎn)絲、主動(dòng)功率因數(shù)校正（PFC）、寬廣的溫度范圍以及較高的功率和電流儲(chǔ)備（4秒60A），只不過是新型QT40和QS40電源的眾多創(chuàng)新特征中的幾個(gè)。集成DC-OK信號(hào)監(jiān)控電源功能，確保盡早檢測(cè)到故障，啟動(dòng)維護(hù)程序。

圖3YR80.241電壓降VON與輸出電流IT的關(guān)系