輸入為直流電的AC電源

在過去的二十年中，開關(guān)電源技術(shù)作為為服務(wù)器、筆記本電腦、照明設(shè)備、機械設(shè)備、工業(yè)設(shè)備以及樓宇自動化系統(tǒng)等提供電能的重要技術(shù)，已日趨成熟。有人說，開關(guān)電源可以適用于世界上所有的交流電壓。而在某些情況下，電源的供給是直流電而非交流電，有些人認為這不是問題，也有一些人警告這很棘手！實際情況是如何呢？

圖1  以直流電供應(yīng)AC電源。PULS普爾世DC/DC轉(zhuǎn)換器和

可輸入直流電電源可以應(yīng)對高能直流電輸入，即使在故障情況下。

無論在工控行業(yè)還是樓宇技術(shù)領(lǐng)域，簡單的便于操作的電源都是不可或缺的。直流電壓容易由電池提供緩沖，從而成為不易斷電的電源。可是實際應(yīng)用真的這么簡單嗎？

工頻電源工作總是離不開變壓器。輸出的直流電，不管是調(diào)節(jié)的還是非調(diào)節(jié)的，都是首先在次級產(chǎn)生的。相比之下，開關(guān)電源是首先在初級進行整流，然后產(chǎn)生的直流電壓被分割為高頻，并通過一個小的高頻變壓器被傳送到次級（圖2）。開關(guān)電源允許寬范圍的輸入，還允許負載電流在0-100%的額定范圍內(nèi)連續(xù)工作。

圖2  無輸入濾波器的開關(guān)電源原理圖

仔細觀察開關(guān)電源的輸入電路原理，首先需要引起注意的就是整流器。如果輸入不是交流電，而是直流電，將會發(fā)生什么？如果一切“大約”來看，開關(guān)電源理論上可以在直流或者交流電下工作。然而，當發(fā)生故障，一臺不適用于直流電輸入的開關(guān)電源，很有可能導(dǎo)致火災(zāi)，因為處理高壓直流電比起處理交流電要難得多，事實上要更加危險。

輸入為直流

首先，為什么一臺輸入被設(shè)定為交流電的電源要接受直流電輸入？事實上存在著大量的應(yīng)用實例：

1.   當使用多個變頻器或者伺服放大器，一個整流器要通過中間直流總線為多個變頻器提供范圍在360-900VDC的直流電。中間直流總線電壓能給開關(guān)電源供電，將帶來一個極大的好處（圖3）。當電網(wǎng)供電發(fā)生故障，設(shè)備和機器都會馬上進入停機狀態(tài)。這時電機可作為發(fā)電機工作，將動能轉(zhuǎn)化為電能，通過逆變器向中間直流總線供電，并且保證在沒有電網(wǎng)供電的情況下使控制的電源安全有序地進入停機狀態(tài)。

圖3  有中間電路電壓的變頻器系統(tǒng)，但是更多的逆變器

和電源是由中間直流總線供電的。

2.   由交流電網(wǎng)供電的電源和由電池供電的電源組成冗余電源系統(tǒng)（圖4），這兩臺電源的輸出并聯(lián)連接，不間斷地向負載供電。

圖4  冗余電源供電：通常由高電壓電流電源

供電，發(fā)生故障的情況下由電源供電。

3.   只由電池或者比如220VDC直流源供電的設(shè)備。

在上述所有的情況下，直流源都能夠提供大電流。當發(fā)生故障，必須在短路或過流時安全切斷回路。而在交流電情況下能夠完全適用的由石英砂構(gòu)成的熔斷保險絲，在直流電應(yīng)用中，可能遇到艱巨的挑戰(zhàn)。

問題在哪里？

再次重申：“通常情況”不是問題。但是仔細規(guī)劃的技術(shù)人員眼中總能發(fā)現(xiàn)例外情況。就好像人們只會購買“意外險”，而非“通常情況”險。一臺設(shè)定為交流電輸入的電源，在通常情況下也能接直流電輸入工作。但問題是，能保證不發(fā)生意外嗎？大多數(shù)開關(guān)電源生產(chǎn)商都無法對此做出承諾。

變頻器中間直流總線輸入：

變頻器的中間直流總線是由邊緣陡峭的相對于保護地的高交流電壓（共模電壓）疊加而成的。接此類輸入直流電的電源必須能夠處理這種干擾，通常需要內(nèi)置一個特殊濾波器。

熔斷保險絲：

作為在發(fā)生故障時的最后的安全保障，電源中需要內(nèi)置熔斷保險絲。這就帶來了問題：電源所使用的這種類型的熔斷保險絲是否能夠在高直流電壓下切斷短路電流或者過載電流？首先，似乎短路情況下就存在問題，雖然不是必然的。困難在于，通過熔絲上的電流為2至3倍的額定電流。在這種故障下，不適用于直流電的熔絲不能可靠熔斷，而由此產(chǎn)生的熱量很可能引起火災(zāi)（圖5）。

圖5  上圖：昂貴的熔斷保險絲，即使在最惡劣的情況下仍然能夠保護開關(guān)電源；

下圖：只有交流認證的輸入保險絲，在高直流電壓輸入時燃燒

有趣的事實還在于，保險絲的額定電流越高，保險絲在直流電壓下的熔斷表現(xiàn)就越困難。常見的保險絲多數(shù)用在不超過4A的交流和直流輸入電壓下。更高的電流在150VDC以上是不允許的。

認識到這些，問題就迎刃而解了。在當前的UL安規(guī)文檔（實際應(yīng)用指導(dǎo)手冊）中已經(jīng)詳細準確地說明，在哪種情況下，使用哪種技術(shù)，才能允許電源以直流源作為輸入。內(nèi)置的熔斷保險絲必須能夠及時熔斷短路電流和過載電流，否則電源所處的環(huán)境就會出現(xiàn)危險的高溫。

PULS普爾世可靠的解決方案

一臺適用于高壓直流電輸入的電源必須滿足以下三點：

?    配備合適的輸入濾波器，能夠過濾對地的高共模電壓；

?    安裝的內(nèi)置熔斷保險絲必須具備UL和IEC安規(guī)認證；

?    具有適當?shù)膬?nèi)部絕緣距離。

在15W到480W功率級別范圍內(nèi)，PULS普爾世可提供豐富的電源產(chǎn)品，這其中也包括驗證的允許直流電輸入的電源產(chǎn)品。這些電源無論是在電氣間隙和爬電距離的設(shè)計方面，還是在直流操作時的輸入保險絲選擇方面，均獲得了許可。

為了接入三相逆變器的中間直流總線電壓，電源需要的輸入電壓最大為900VDC。普爾世QS系列電源不再適用。能夠勝任的是普爾世概念型電源產(chǎn)品——DC/DC轉(zhuǎn)換器QTD20.241，它所配備的輸入級別大大增強了（圖6）。

QTD20.241是標準電源QT20.241的修改版，它允許的直流輸入電壓范圍是360-900VDC。

圖6  概念型QTD20.241, 尤其適用于變頻器中間電路

電壓范圍為360-900VDC的電源供應(yīng)

結(jié)論

PULS普爾世提供一系列豐富的產(chǎn)品組合，其中包括安全的DC/DC轉(zhuǎn)換器，功率級別涵蓋15W到480W，并且在這個方面非常嚴謹。因為人的生命和設(shè)備的安全應(yīng)當永遠被放在第一位。所以在電源中，合適的安全保護措施始終扮演著關(guān)鍵的角色。然而，甚至一些知名的大公司都可能忽略這樣一個事實：他們選用的電源在某些方面可能承受不了標準的壓力測試。PULS普爾世電源通過了獨立檢驗機構(gòu)的安規(guī)認證，即使是在做用戶系統(tǒng)的整體安規(guī)認證時也不會發(fā)生任何不愉快的意外。