安全、高效的PULS普爾世MOSFET冗余模塊系列

一旦故障發(fā)生在工作的24V直流電源上，隨之產(chǎn)生的后果可能是毀滅性的。因此在例如控制、測量之類“安全第一”的應用場合，冗余系統(tǒng)就顯得至關重要了。所謂冗余系統(tǒng)，是指并聯(lián)連接的兩臺電源，其中每臺電源都能夠獨立為整個系統(tǒng)供電。PULS普爾世工控電源有著豐富的標準品電源產(chǎn)品線，能夠靈活組建各種冗余系統(tǒng)，其久經(jīng)市場驗證的標準產(chǎn)品能夠確保系統(tǒng)安全、可靠地運行；另一方面，由于采用了創(chuàng)新的技術，普爾世也從根本上將冗余系統(tǒng)的轉換效率提升到了一個新的高度。

圖1   采用MOSFET技術的全新冗余模塊構建的冗余系統(tǒng)

當標準電源之間進行冗余切換時，在傳統(tǒng)的冗余系統(tǒng)中，電源的輸出端必須安裝二極管，這樣做是為了防止冗余系統(tǒng)中一臺電源的電流反饋到另一臺電源的輸出端，確保解耦。但是二極管解耦也有不完美的地方，那就是在兩個二極管中會產(chǎn)生相當可觀的功率損耗。一個20A負載的冗余系統(tǒng)中，每個二極管上發(fā)生的能量損耗大約為10W，而這種情況下就不得不借助大型散熱片來緩解系統(tǒng)發(fā)熱的問題。

在冗余系統(tǒng)方面的改善，可總結出包含以下十點的愿望清單：

1）  安全運行

2）  降低損耗

3）  簡化操作

4）  忍受負載反饋能量

5）  短路保護能力

6）  電流均衡分配

7）  電源故障信號

8）  輸入極性反接保護

9）  報錯

10）熱插拔

設備間的解耦

目前常用的冗余模塊中使用的外延二極管或肖特基二極管會造成0.6到0.8伏的電壓降，這就導致了在高負載電流的情況下，冗余系統(tǒng)在電柜中會產(chǎn)生大量熱量，這些熱量必須由電柜中的通風系統(tǒng)發(fā)散出去。PULS普爾世工控電源就前文所述的改善冗余系統(tǒng)的愿望清單進行了深入的研究。可以明確的是，只有采用全新的技術，徹底“升級”目前冗余模塊的解耦功能，才能夠從根本上實現(xiàn)“降低損耗”。這項全新的技術就是MOSFET技術。采用了MOSFET技術的冗余模塊系列提供最大電流達到80A的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品都能夠滿足低功耗的重要標準。而且很顯然，新的冗余模塊也同時滿足愿望清單上的其余9條。圖2比較了解耦二極管與MOSFET管在冗余系統(tǒng)中的功耗。當負載電流達到40A時，采用了MOSFET技術的冗余模塊僅產(chǎn)生3W的功耗。超低功耗使得設計一款寬度僅36毫米的緊湊型DIN導軌式冗余模塊不再是問題。用戶只需要把兩臺電源的輸出端接入冗余模塊的輸入端，就能夠從冗余模塊的輸出端得到安全的電源供給。

圖2   左：冗余模塊解耦功能示意圖；右：冗余模塊YR80.241輸出電流-功耗曲線

棘手難題——短路

到這里，熟悉電路的讀者一定會說，MOSFET也沒什么大不了的吧。確實，如果只考慮正常運行的話，它不過是個普通的元器件。不過當發(fā)生短路，或者甚至當發(fā)生冗余電源電極逆轉時，情況可就沒這么簡單了。當負載短路，電源電壓驟降，冗余模塊的輸入端幾乎得不到任何有用的電壓。然而如果冗余模塊中的MOSFET管沒有被激活，就不能令短路電流以低損耗流過，當這個電流流過MOSFET管中的寄生二極管時，產(chǎn)生的功耗是原來的15倍，從而摧毀MOSFET管。為此，普爾世進行了針對性的研究，改進了電路。在新的電路中，即使是微量的殘余電壓也能正確激活MOSFET管。當一些更加危急的情況發(fā)生，比如電源接入已經(jīng)發(fā)生短路的電路，或者輸入電壓被施加反極性，新的電路也有能力應對這些極端的險情。

緊湊的組合

普爾世一直在致力開發(fā)體積更小的電源及模塊。直到不久前，還能找到某廠家的單臺40A電源在DIN導軌上占用的空間比今天的整個普爾世冗余系統(tǒng)所占空間還大的，而該普爾世冗余系統(tǒng)由兩臺普爾世三相40A電源和一臺YR80.241冗余模塊組成，總共僅需266毫米的導軌寬度。

單相電源適用于單相的應用場合。但這里需要注意的是，兩臺電源的輸入是連接到兩個不同相位上的。

均衡的電流分布

如果一臺或多臺電源必須要并聯(lián)工作，那么改善的熱平衡功能將是一個優(yōu)點，而且如果負載電流平均地從每臺電源流出，能夠延長電源的使用壽命。

大多數(shù)新的普爾世工控電源都具有“并聯(lián)使用”模式，可適用于上述的應用環(huán)境。在該模式下，輸出電壓被重新設定，使其在空載狀態(tài)下比額定負載狀態(tài)下高4%。因此，電源間的電流自動均衡，可提供相等的電源空載電壓。當較多的電流流過一臺電源，那么它的電壓會自動降低，同時電流恢復均衡。有了這樣的功能，均衡分布的電流能夠始終保持功率損耗在最低水平，符合我們對冗余系統(tǒng)的期望。

目前市場上某些廠家的冗余模塊內集成了電流均衡分布功能，其中的MOSFET管會應需要隨著電流的變化而發(fā)生輕微的線性變化，改變相應的電壓，從而實現(xiàn)電流的平衡分配。這種方式也稱作自動式均流。但自動式均流存在一些問題。首先，實現(xiàn)自動式均流需要在冗余模塊的輸入端集成兩個可調電阻，增加了電路的復雜度，同時也會造成不容忽視的壓降和功耗；其次，一旦發(fā)生短路，短路大電流流經(jīng)冗余模塊內的寄生二極管，會造成更大的功率損耗；再次，難以構建N+1冗余系統(tǒng)或輸出達到20A以上的冗余系統(tǒng)。

而普爾世將并聯(lián)均流功能集成在電源內是更好的解決方法。這樣，功率損耗和發(fā)熱量問題從根本上得以改善，從而延長了電源的使用壽命。有了普爾世電源的“并聯(lián)模式”的支持，冗余系統(tǒng)的安全性和可靠性得到了保障，同時，經(jīng)典的1+1冗余系統(tǒng)也可根據(jù)需求靈活擴展為N+1冗余系統(tǒng)。

熱插拔

普爾世YR40.245是一種特殊的冗余模塊，這也是普爾世專門針對熱插拔功能而設計的首款產(chǎn)品。熱插拔允許用戶在不關閉系統(tǒng)，不切斷電源的情況下更換一臺電源或一個冗余模塊。為了這個目的，關鍵連接都配有防短路插頭。在插拔時，如果連接是根據(jù)指定的順序進行的，則無需切斷電源就可以更換故障的模塊。這對于系統(tǒng)的高可用性是必不可少的。

圖3   多款普爾世MOSFET冗余模塊可供選擇

結語

冗余電源系統(tǒng)對于要求高可靠性、高安全性的設備和裝置有著重要的意義。普爾世標準冗余模塊系列中，除了上文中介紹過的經(jīng)典的24V冗余模塊、允許熱插拔功能的特殊冗余模塊外，還有額定輸出范圍在40 ~ 80A / 12 ~ 60V的多款MOSFET冗余模塊可供選擇；而當輸出電流不超過40A時，二極管的功耗與MOSFET差別不大，因此普爾世也在額定輸出電流在10 ~ 40A內提供Diode冗余模塊，以滿足更多應用需求?；谀K化理論，采用普爾世冗余模塊，非冗余系統(tǒng)也能便捷地改裝為冗余系統(tǒng)，而改裝的過程無需重新考慮復雜的熱設計。

圖4   普爾世MOSFET冗余模塊選型參考