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电力行业DC-DC模块电源的选型和应用设计
编辑:上海责允电子科技有限公司   发布时间:2018-05-16


     DC-DC模块电源越来越多的应用于通信、工业自动化、电力控制、轨道交通、矿业、军工等行业。模块化的设计,可以有效的简化客户的电路设计,提升系统的可靠性和维护效率。同时由于细分行业特性不同,其要求自然不同。本文主要介绍电力行业对于电源模块的选型和应用设计。

一. DC-DC电源模块在电力行业中的作用?

       DC-DC隔离模块电源主要应用于电力分布式电源系统中,用以对电源系统实现隔离降噪、电压转换、稳压和保护功能。简要介绍如下:

        1、模块电源采用隔离式设计,可以有效的隔离来自一次侧设备带来的共模干扰对控制系统的影响,使负载能够稳定的工作。电力行业主网由于负载众多,相互的干扰易导致控制系统的工作紊乱,良好的隔离设计可以解决大部分应用难题。

        2、不同的负载需要不同的供电电压,例如控制IC需要5V、3.3V、1.8V等;信号采集用的运放则需要±15V;继电器则需要12V,24V。而母线电压多为24V,因此需要进行电压转换。

        3、母线电压在长距离传输过程中会存在线损,故到PCB板时电压可能较低,而负载需要稳定的电压,因此需要宽压输入,稳压输出。

        4、电源需要在异常情况下,保护系统的负载和本身不坏。

二、 电力行业如何选择高可靠性的DC-DC模块电源

       电力行业由于电网的复杂性,其对于DC-DC电源的需求也呈现多样性,下面简要介绍几个选型要点:

        1、 低空载功耗

       电力行业某些监控设备只有在异常时工作,并需要较大功率,其正常工作时长期处于待机状态,例如FTU、抗晃电模块等。此类系统大多采用蓄电池做为备用电源,如果DC-DC模块电源空载功耗过高则会导致蓄电池续航时间不长、过早损坏等问题。例如在某抗晃电模块项目中,当电网出现失压时,电源模块需要在1.5秒内提供约20W功率给继电器供电,但是大部分时间,继电器不工作,系统接近空载。 此时,蓄电池的能量都被DC-DC模块电源消耗掉,电源空载功耗越大,电池续航时间越短。为了延长电池的续航时间,要求电源的空载功耗不得高0.3W,而市面上20W电源的空载功耗一般在0.5W-1.5W左右。 部分模块电源产品采用变频技术,空载功耗约0.12W,满足了应用需求。

        2、全负载范围内高效率

       如上文所述,电力行业很多设备长时间处于轻载甚至空载状态下,所以实现全负载范围内的高效率对于电源系统可靠性来说意义重大,但这点却往往被大部分电源厂商忽略,很多厂商为了让技术参数更有吸引力,常常将满载效率做到很高,但在5%-50%的轻负载情况下效率较低,这会导致电源模块实际工作温升偏高,导致一系列热设计问题。其实对于电源系统来说,全范围高效率意味着更低的功率损失和温升,可以有效提高系统可靠性,因此在电源选型时需要特别注意。

        3、高隔离电压、低隔离电容

       一般工控行业DC-DC电源模块的隔离电压只需要1500VDC就可以了,但是电力行业的控制系统一般选择的耐压在3000VDC及以上的电源模块,以确保控制系统不受外界影响。

如是电力电子产品还需要注意原边和次级之间尽量少寄生电容,即要求选择尽量低隔离电容的电源模块,用以降低共模干扰对系统的影响。一般而言,驱动器供电的1-2W非稳压开环设计DC-DC建议选取隔离电容低于10pF的,而闭环设计的DC-DC则尽量选取隔离电容低于150pF的。

        4、 EMC特性

       EMC性能是电子系统正常、安全工作的保证,目前电子行业对产品的EMC性能都提出了很高的要求,因EMC处理不好导致系统的复位重启甚至是早期失效,因此优良的EMC特性可以提升电力产品的竞争力。

        5、 极限温度特性

       电力行业产品应用的地理区域非常宽广,有处于热带的海南的酷暑也有东北冬天的严寒,而且大部分产品处于室外环境。因此要求DC-DC模块电源的工作温度范围至为-40℃~+85℃,甚至有更高要求。电源的部分产品工作温度可以做到-40℃~+105℃。

      极限温度试验是最能检验电源模块可靠性的方法,例如高温老化、高温&低温带电工作性能测试、高低温循环冲击试验和长时间高温高湿测试等。正规的电源开发都会经过以上测试。做这些可靠性测试可以为选型提供重要参考。 

       以上为电源为您选型所提供的几点建议,当然了解这几点还远远不够,还需要注意电源模块的系统应用设计。

三、 如何做电源系统应用设计?

       电源本身的可靠性固然重要,但是实际上,由于电源系统工作环境的复杂性,再可靠的电源如果没有可靠的系统应用设计,最终电源还是会失效。下面介绍几种常见的电源系统应用设计的方法和注意事项。

         1、冗余设计技巧

       在可靠性要求高的场合,要求电源模块即使损坏,系统也不能断电。此时,可以采取冗余供电的方式来提升系统的可靠性,当一个电源模块损坏时,另外一个模块可以继续供电。

         2、降额设计

       众所周知,降额设计可以有效提高电源工作寿命,但是负载过轻使用,电源的性能又无法工作在最佳状态。 例如, DC-DC模块电源一般建议在30%~80%负载范围内使用,此时各方面性能表现最佳。

         3、合理外围防护设计

       电源模块应用行业非常多,应用的环境要求也不近相同,因为其通用性设计,DC-DC模块电源仅能满足通用共性需求。因此当客户的应用环境要求苛刻时,需要加适当的外围电路来提升电源的可靠性。因此,合理的外围电路设计可以使模块满足更高等级的技术规格,使之适应更恶劣的应用环境,提升电源模块的可靠性。

         4、散热设计

       工业级的电源模块的损坏大约有15%是因为散热不良导致的,电源模块是朝着小型化和集成化方向发展,但是很多应用场合电源是处于密闭的环境中连续工作的,如果积热无法散出去,电源内部的器件可能因为超过热应力而损坏。通常的散热方式有自然风冷、散热片散热和加强制性散热风扇等。热设计的几点经验分享如下:

      (1)电源模块的对流通风

        对于依靠自然对流和热辐射来散热的电源模块,周围环境一定要便于对流通风,且周围无大器件遮挡,便于空气流通。

      (2)发热器件的放置

       如果系统中拥有多个发热源例如多个电源模块,相互之间应尽量远离,避免相互之间热辐射传递导致电源模块过热。 

      (3)合理的PCB板设计

        PCB板提供了一种散热途径,在设计时就要多考虑散热途径。例如加大主回路的铜皮面积,降低PCB板上元器件的密度等,改善模块的散热面积和散热通道。

      (4)更大封装尺寸和散热面积

        同样功率的电源,如果可能尽量选择尺寸更大的封装和散热面更大的散热器,或者使用导热胶将电源模块外壳与机壳连接。这样电源模块拥有更大的散热面积,散热会更快,内部的温度会更低,电源的可靠性自然也就越高。

         5、匹配性设计、安规设计

        电源的输入走线尽量保持直线,避免形成环路天线吸引外界辐射干扰。同时输入线和输出线需要按照UL60950的安规要求保持合适的间距,避免耐压失效。再者,电源底板下禁止布线,特别是信号线,电源变压器的电磁线会对信号形成干扰。另外需注意的是,关注一次电源和二次电源之间,以及电源与系统工作频率的倍频错开,避开相互之间的系统匹配性问题。

四、小结

         DC-DC电源模块的选型需要根据电力行业特殊特性来选择,例如整体电力需要更加节能高效,那么就需要高效率和低空载功耗的电源模块产品;产品需要考虑在各种EMC干扰环境下系统工作的稳定性,因此就需要优良EMC性能的电源模块。诸如此类,同时,电源模块只是一种功能集成,更多的需要从系统层面考虑系统应用设计提升电源系统的可靠性。


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