直流电源安全而高效的冗余

访问控制和其他安全相关的应用需要冗余。

24V电源的故障可能造成破坏性影响。因此,访问控制和其他安全相关的应用需要冗余。这意味着两个电源是并联的,每一个电源都可以单独为整个系统供电。

如果标准电源被冗余切换,在传统系统中必须确保输出端的两个二极管解耦,使一个电源无法反馈到另一个电源的输出端。然而,二极管解耦的不足之处在于两个二极管有相当大的损耗。在20A的负载电流下,每个二极管的损耗约为10W,只有大型散热片能缓解这种情况。

关于最佳冗余的问题可以归纳为以下10个要点:

  1. 安全操作和可用性
  2. 没有损耗
  3. 易于操作
  4. 免受负载反馈的影响
  5. 短路强度
  6. 电源之间的电流分布
  7. 电源缺陷警告
  8. 针对极性反转的输入保护
  9. 故障信息
  10. 热交换

解耦两个设备

外延或肖特基二极管的习惯冗余模块会造成电压下降0.6V至0.8V。这导致在高负载电流下电气柜的巨大损耗。这些热量也必须通过电气柜的通风系统进行驱散。

PULS公司已经对上述10个要点进行了仔细研究。很明显只有全新的技术才能大大减少损耗,该技术中的MOSFET模块肩负了习惯解耦的任务。由此产生了一系列针对高达80A负载电流的MOSFET冗余模块,这实现了少量损耗的重要优化准则。

当然,这些冗余模块还包括其他9个要点。图1比较了使用解耦二极管的传统解决方案与MOSFET技术之间的损耗差别。

 

图1:左:MOSFET技术,右:二极管的功率损耗和MOSFET冗余模块,本例中使用的是YR80.241模块。

负载电流为40A时,MOSFET模块产生3W的损耗。因此,使用一个只有36mm宽的紧凑DIN导轨模块是可行的。用户将两个电源组件的输出端连接到冗余模块的输入端,而在另一端就会产生安全的电压。

棘手的问题

熟悉电子产品的读者可能认为第一个例子中的MOSFET技术是无足轻重的 – 如果我们只考虑正常操作,确实可以这样认为。然而,这并不适用于短路或者甚至是冗余模块输入端的电源发生极性反转的情况。负载发生短路时,电源电压崩溃,冗余模块的输入端几乎不再有可用电压。

然而,如果没有启动冗余模块中的MOSFET来使短路电流以低损耗流动,这个电流会在MOSFET的所谓体二极管中流动。这样损耗会增加15倍,并且破坏MOSFET。鉴于此,一种甚至能用最小残余电压来正确启动MOSFET的新型电路已经被开发出来了。

如果电源切换到一个现有的短路或者输入电压应用了极性反转也会造成进一步的危险状况。新型电路甚至能处理这些极端的情况。

紧凑的团队

如今,一个40A电源在DIN导轨上占用的空间比一个由两个三相40A电源和一个YR80.241冗余模块组成的完整冗余系统还要大。266mm的总宽度是足够的。

也有针对单相应用的单相电源。这里需要指出的是两个电源被连接到两个不同的相。

电流均匀分配

如果一个或多个电源必须并联操作,那么负载电流均匀地分配到各个电源将有助于改善热平衡,从而延长寿命。PULS公司的许多新型电源具有“并联使用”模式,可用于此种应用。在此模式下,空载状态的输出电压被调节为比额定负载的电压高出约4%。因此,如果电源的空载电压相等,组件之间的电流会自动分配。如果一个电源中的电流过大,那么它的电压会自动下降,电流对称性得以恢复。利用这一特性,电流分配是无损耗的,所以不会影响冗余的概念。

目前市场上的冗余模块集成了电流分配功能。这种情况下,MOSFET在线性模式下运行,在一个通道中使用了太多“电压”导致两个输入端之间的电流对称性上升。这需要更高的复杂性。在电源中集成并联功能的方法是有利的。损耗和发热量较低,预期寿命也增加了。冗余的概念是最高的安全性与可用性,它受并联使用模式支持,因此也可以在经典的1+1冗余系统基础上实现N+1系统。

热交换

YR40.245是一个特殊的冗余模块。它也是第一个有利于热交换的模块。热交换意味着在一个运行的系统中更换电源或冗余模块。为此,关键连接点都装有防短路的插头连接器。如果在交换时按照指定的顺序进行连接,可以在不中断电源的情况下替换有缺陷的模块。交换后恢复冗余。这对于高可用性系统来说是不可或缺的。

 

图2:MOSFET冗余模块有多种规格可选,电流范围从20A到80A,输入电压从12V到60V,均支持热交换技术。

结果

冗余电源为设计可靠和自动防故障的设备与装置作出了重要贡献。上述的标准冗余模块的产品范围很广,除了经典的24V模块,还包括电流范围从20A到80A,输入电压从12V到60V的产品。其中一个特色就是让热交换技术成为标准配置。采用模块化的概念,非冗余系统可以在不显著削弱热管理的情况下升级为冗余系统。

本文由PULS公司提供。

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