输入为直流电的AC电源

发布时间:2014-12-02

在过去的二十年中,开关电源技术作为为服务器、笔记本电脑、照明设备、机械设备、工业设备以及楼宇自动化系统等提供电能的重要技术,已日趋成熟。有人说,开关电源可以适用于世界上所有的交流电压。而在某些情况下,电源的供给是直流电而非交流电,有些人认为这不是问题,也有一些人警告这很棘手!实际情况是如何呢?

图1 以直流电供应AC电源。PULS普尔世DC/DC转换器和可输入直流电电源可以应对高能直流电输入,即使在故障情况下。

无论在工控行业还是楼宇技术领域,简单的便于操作的电源都是不可或缺的。直流电压容易由电池提供缓冲,从而成为不易断电的电源。可是实际应用真的这么简单吗?

工频电源工作总是离不开变压器。输出的直流电,不管是调节的还是非调节的,都是首先在次级产生的。相比之下,开关电源是首先在初级进行整流,然后产生的直流电压被分割为高频,并通过一个小的高频变压器被传送到次级(图2)。开关电源允许宽范围的输入,还允许负载电流在0-100%的额定范围内连续工作。

图2 无输入滤波器的开关电源原理图

仔细观察开关电源的输入电路原理,首先需要引起注意的就是整流器。如果输入不是交流电,而是直流电,将会发生什么?如果一切“大约”来看,开关电源理论上可以在直流或者交流电下工作。然而,当发生故障,一台不适用于直流电输入的开关电源,很有可能导致火灾,因为处理高压直流电比起处理交流电要难得多,事实上要更加危险。

输入为直流

首先,为什么一台输入被设定为交流电的电源要接受直流电输入?事实上存在着大量的应用实例:

1. 当使用多个变频器或者伺服放大器,一个整流器要通过中间直流总线为多个变频器提供范围在360-900VDC的直流电。中间直流总线电压能给开关电源供电,将带来一个极大的好处(图3)。当电网供电发生故障,设备和机器都会马上进入停机状态。这时电机可作为发电机工作,将动能转化为电能,通过逆变器向中间直流总线供电,并且保证在没有电网供电的情况下使控制的电源安全有序地进入停机状态。

图3 有中间电路电压的变频器系统,但是更多的逆变器和电源是由中间直流总线供电的。

2. 由交流电网供电的电源和由电池供电的电源组成冗余电源系统(图4),这两台电源的输出并联连接,不间断地向负载供电。

图4 冗余电源供电:通常由高电压电流电源供电,发生故障的情况下由电源供电。

3. 只由电池或者比如220VDC直流源供电的设备。

在上述所有的情况下,直流源都能够提供大电流。当发生故障,必须在短路或过流时安全切断回路。而在交流电情况下能够完全适用的由石英砂构成的熔断保险丝,在直流电应用中,可能遇到艰巨的挑战。

问题在哪里?

再次重申:“通常情况”不是问题。但是仔细规划的技术人员眼中总能发现例外情况。就好像人们只会购买“意外险”,而非“通常情况”险。一台设定为交流电输入的电源,在通常情况下也能接直流电输入工作。但问题是,能保证不发生意外吗?大多数开关电源生产商都无法对此做出承诺。

变频器中间直流总线输入:

变频器的中间直流总线是由边缘陡峭的相对于保护地的高交流电压(共模电压)叠加而成的。接此类输入直流电的电源必须能够处理这种干扰,通常需要内置一个特殊滤波器。

熔断保险丝:

作为在发生故障时的最后的安全保障,电源中需要内置熔断保险丝。这就带来了问题:电源所使用的这种类型的熔断保险丝是否能够在高直流电压下切断短路电流或者过载电流?首先,似乎短路情况下就存在问题,虽然不是必然的。困难在于,通过熔丝上的电流为2至3倍的额定电流。在这种故障下,不适用于直流电的熔丝不能可靠熔断,而由此产生的热量很可能引起火灾(图5)。

图5 上图:昂贵的熔断保险丝,即使在最恶劣的情况下仍然能够保护开关电源;

下图:只有交流认证的输入保险丝,在高直流电压输入时燃烧

有趣的事实还在于,保险丝的额定电流越高,保险丝在直流电压下的熔断表现就越困难。常见的保险丝多数用在不超过4A的交流和直流输入电压下。更高的电流在150VDC以上是不允许的。

认识到这些,问题就迎刃而解了。在当前的UL安规文档(实际应用指导手册)中已经详细准确地说明,在哪种情况下,使用哪种技术,才能允许电源以直流源作为输入。内置的熔断保险丝必须能够及时熔断短路电流和过载电流,否则电源所处的环境就会出现危险的高温。

PULS普尔世可靠的解决方案

一台适用于高压直流电输入的电源必须满足以下三点:

• 配备合适的输入滤波器,能够过滤对地的高共模电压;

• 安装的内置熔断保险丝必须具备UL和IEC安规认证;

• 具有适当的内部绝缘距离。

在15W到480W功率级别范围内,PULS普尔世可提供丰富的电源产品,这其中也包括验证的允许直流电输入的电源产品。这些电源无论是在电气间隙和爬电距离的设计方面,还是在直流操作时的输入保险丝选择方面,均获得了许可。

为了接入三相逆变器的中间直流总线电压,电源需要的输入电压最大为900VDC。普尔世QS系列电源不再适用。能够胜任的是普尔世概念型电源产品——DC/DC转换器QTD20.241,它所配备的输入级别大大增强了(图6)。

QTD20.241是标准电源QT20.241的修改版,它允许的直流输入电压范围是360-900VDC。

图6 概念型 QTD20.241, 尤其适用于变频器中间电路电压范围为360-900VDC的电源供应

结论

PULS普尔世提供一系列丰富的产品组合,其中包括安全的DC/DC转换器,功率级别涵盖15W到480W,并且在这个方面非常严谨。因为人的生命和设备的安全应当永远被放在第一位。所以在电源中,合适的安全保护措施始终扮演着关键的角色。然而,甚至一些知名的大公司都可能忽略这样一个事实:他们选用的电源在某些方面可能承受不了标准的压力测试。PULS普尔世电源通过了独立检验机构的安规认证,即使是在做用户系统的整体安规认证时也不会发生任何不愉快的意外。

    普尔世贸易(苏州)有限公司