直流电源模块（精选10篇）
直流电源模块 篇1
电源是每个电子设计中重要的一环，考虑到成本、效率、设计尺寸等多种复杂因素，设计电源成为电子工程师一项极具挑战性的工作。为了帮助经验并不丰富的设计者更简单快捷实现电源设计，美国国家半导体 (NS) 宣布推出WEBENCH Visualizer设计工具，帮助工程师形象快速地选择一款最理想的电源系统设计解决方案。
W E B E N C H V i s u a l i z e r是全新的互动式的工具，它包含基于NS公司所有电源相关产品的设计解决方案，这些方案大部分是由NS及合作分销商共同开发的参考设计。目前WEBENCH设计网页支持升压、降压，Cepic、反激、固定频率及恒定导通时间设计，电流模式及电压模式，有超过25种系统结构，在性能方面输入电压设计从1V到100V，输出的电压0.6V到300V，输出功率高达300W，效率最大能够达到96%，频率最高可以达到3MHz。方案的大小在14mm×14mm以上，数据库方面提供25种不同的开关电源供应器结构及21, 000款元器件，工程师能够从上亿款电源供应器设计解决方案中进行筛选，而且整个过程只需几秒的时间。
N S推出全新S I M P L E S W I T C H E R电源模块系列的前三款产品LMZ10504、LMZ12003、LMZ14203，内置高效的同步开关稳压器及简易线性稳压器，因此无需像开关稳压器那样需要额外加设外置电感器，系统的线路布局更加简单。此电源模块可以精简电源供应系统的设计，并确保供电系统可为FPGA、微处理器、DSP以及其他负载点 (POL) 电源转换系统提供稳压供电，因此是医疗设备、广电视频设备、通信设备、工业及军事设备的理想供电系统解决方案。这一系列的电源模块采用的封装技术正在进行专利申请，其优点是产生较少电磁干扰，符合有关EN55022 (CISPR22) B类电磁波辐射的规定。工程师可以利用WEBENCH Power Designer电源系统设计工具和全新的WEBENCH Power Architect电源结构设计工具设计，同时内置SIMPLE SWITCHER电源模块进行电源系统的设计。改良版WEBENCH Power Architect设计工具可以支持多输出的直流/直流电源供应系统设计，而且大幅缩短这类系统的设计时间。
直流电源模块 篇2
摘要：讨论模块化逆变电源的应用场合及设计特点，并以某定向陀螺用的逆变电源为例，介绍了模块化逆变电源的设计过程。
目前，逆变技术已在国民经济的各个领域中得到了极其广泛的应用，国内外许多公司已能生产技术成熟的标准逆变电源，这些产品实现的功能较多，性能较好、可适应较复杂的负载情况，但控制方案较复杂、体积较大、价格昂贵，适于实验室、车间的集中供电。在逆变技术的进一步普及应用中，越来越多的产品、设备要求逆变电源象直流电源一样模块化，并成为该产品、设备的一部分。通常在这种场合对逆变电源要求容量较小、负载单
一、并控制体积和成本，显然再采用标准逆变电源的方案就不合适了，这需要仔细考虑系统方案，简化控制，在保证性能指标的同时，减小体积，降低成本。
本文以某新型鱼雷定向陀螺用的模块化逆变电源为例，介绍模块化逆变电源的设计与应用情况。本例的负载为感性，输出电压有个切换过程，在要求输出电压固定的场合，去掉电压切换部分即可。
本模块电源为三相400Hz逆变电源，24VDC输入，要求输出电压在通电30s内为68V，此时负载电流为3A；30s后，陀螺的起动过程结束，要求输出电压无间断地切换为36V，并提供1A负载电流，稳压精度2％，输入输出隔离。模块外形尺寸不大于120mm×130mm×50mm。
2系统设计
在模块电源的研发过程中，系统设计直接决定产品的最终性能。现采用以下方案构成SPWM型逆变器，系统框图见图1。
图1系统框图
2.1控制方案
模块化逆变电源的负载一般已知，其特性也不复杂，没有进行实时计算的必要，因此采用查表法是很合适的，将控制波形的SPWM数据事先计算出来，存入ROM中，这样可使控制部分得到最大程度的简化。调节直流母线电压可以进行输出电压的控制，虽然这种方式不利于三相分相控制并有一定滞后，在大容量逆变器中不常见，但在三相平衡负载场合，是完全可以满足要求的。所以，本系统实际采用了PWM、PAM两种控制方式。控制部分是系统的关键，本文将做详细介绍。
2.2主电路设计
主电路需将24VDC输入变换为较高的、可调节的直流母线电压，选择性能优良的DC/DC模块，可缩短设计周期、提高产品可靠性。
图2规则采样Ⅱ法
DC/DC模块选用VICOR产品。该产品采用了ZCS/ZVS（零电流/电压开关）技术，突出优点是高效率、高功率密度、高可靠性、低电磁干扰；同时，可以利用其I/O隔离的特性实现系统的隔离。若使用两只24V变48V、输出150W的VICOR模块，输入并联，输出串联，可获得96V的直流母线电压。
（1）检验功率不计各处损耗，最大输出功率为 68×3=204VA 两只模块可输出功率达300W，可以满足要求。
（2）检验电压正常工作输出36V时，若直流利用率为0.7，调制度为最大值1，则需直流电压
36/0.7=51.5V 输出68V时，若直流利用率仍为0.7，调制度为最大值1，则需直流电压
68/0.7=97V 这是空载时所需的直流电压，当带重载时，因线路阻抗和系统输出阻抗的存在，所需的直流母线电压更高，所以必须采取措施提高直流利用率。计算SPWM数据时，可适当地过调制，并在电路中稍微加大滤波，就可达到目的。
逆变桥使用MOSFET构成三相逆变全桥，滤波网络中的电容采用三角形连接以加强滤波作用。
2.3保护与控制电源
当有异常情况出现时，有两种方法切断输出，一是封锁控制数据，如选择ROM数据全为零的空页，此法方便快速；二是断开直流母线电压，此法有利于负载的安全，这里选择后者。VICOR模块的GATEIN端是其功率提升同步端，也是该模块的使能端，拉低该端电压即可关闭模块（Isink=6mA），它以－IN端电位为基准，故检测的过流、过压信号均须以光耦与之隔离。
控制部分已相当简单，电源功率很小，采用线性三端稳压器即可。除简便外，还有可靠、电磁干扰小的优点。固定一只模块的输出电压以获得控制电源，而调节另一只来控制系统输出电压的幅值。
3PWM波形控制
在ROM中的PWM数据是离线计算的，灵活性较大。采用SPWM方法之一的规则采样Ⅱ法计算数据，可比较准确地得到开关器件的导通、关断时间，其原理误差与存储数据时取整带来的误差相比可以忽略。计算程序的入口参数主要有三个：载波频率fc、调制频率fm和调制度M，其中调制度代表预期的输出幅值。输出电压切换前后的幅值相差很大，不能使用一个调制度，所以在ROM中存储两组数据（每组2k字节），通过控制高位地址线实现电压切换。前面2.2节述及，起动阶段输出68V时，需适当的过调制，此时，SPWM就近似为梯形波比较调制，使直流利用率提高；而正常工作输出36V时，直流母线电压绰绰有余，调制度较低，谐波含量将很少。
规则采样Ⅱ法的原理如图2所示，在三角载波的负峰值时对正弦调制波采样，得到图中E点，采样电压为urE=MsinωCtE。E点水平线在三角波上截得A、B两点，两点间的时间就作为SPWM波在该载波周期的脉宽时间t2。由相似三角形的比例关系可得下式：
脉宽时间间隙时间
(1)(2)Tc为三角载波的周期。利用式（1）可以很快地计算出各个脉冲宽度，而两个脉冲之间的间隙时间为前一脉冲的t3与后一脉冲的t1之和。
图3是产生PWM数据的程序流程：
图3产生PWM数据的程序流程图(a)主程序(b)计算某相数据子程序
图4VICOR模块调压原理
程序中，计算某相数据的子程序是三相公用的。其中一个参数是正弦调制波相位，改变这个参数可分别计算出A、B、C数据，并且可以补偿因滤波元件参数不一致而导致的三相不平衡。计算完各开关点时间后，将时间转换为0、1位串的字节长度，这个过程要进行四舍五入，修正值初值为0.5。但四舍五入一般会带来数字节的误差，为了保证总的字节数成整k，需要以逐次逼近方式修改修正值。
此部分电路中，一555多谐振荡器产生819.2kHz时钟，经12位计数器进行地址变换，使存储于ROM中的PWM数据周期性地输出，再由专用驱动芯片IR2110驱动MOSFET三相全桥进行逆变。
4输出电压控制
介绍这部分前，需先对VICOR模块的调压原理进行了解，参见图4。
VICOR模块的电压调节端TRIM同时也是模块内部误差放大器的电压给定端，经一个10kΩ电阻与2.5V基准串联，此端悬空时，误差放大器的给定电压为2.5V，模块输出额定电压。由TRIM端外接电阻到－OUT端与10kΩ电阻对2.5V分压，使误差放大器的给定电压降低，模块的输出电压即被按比例地调低；由＋OUT端外接电阻到TRIM端与10kΩ电阻对输出电压分压，输出电压亦被按比例地调高。模块的输出电压调节范围是额定值的5％到110％。值得注意的是，若TRIM端电压过高，将导致模块的过压保护动作。
使模块的电压调节端TRIM随着系统输出电压有效值的变化而反向变化，即可构成负反馈闭环回路。可以看出，若将系统抽象为一闭环系统U(s)=U0×C(s)/F(s)，模块内的2.5V基准也是系统的给定值U0，负反馈环路可抽象为反馈通道传递函数F(s)。系统有68V、36V两次稳压过程，只需在切换数据页的同时相应改变F(s)中的反馈系数即可。
此部分的电路参见图5。
输出的三相电压经整流滤波后，在电位器RP1的滑臂上取得反馈电压，该电压经光耦N1隔离、反相后送到VICOR模块的TRIM端，即构成了负反馈环。这里光耦三极管等效为一个接在TRIM和－OUT端的受控可变电阻，这样有效地防止了TRIM端上的反馈电压过高。
通电后，首先＋15V经R对C充电，充电时间常数由二者的乘积决定。当C上的电压不超过稳压管DZ稳压值加0.7V时，T1不导通，集电极输出为高电平，选中ROM里存储68V数据的页面，同时，三极管T2、达林顿光耦N2导通，电位器RP2与RP1并联，这个状态对应于起动阶段输出68V高电压；当C上的电压超过稳压管稳压值加0.7V后，T1导通，集电极输出为低电平，选中存储36V数据的页面，同时T2、N2截止，RP2支路断开，RP1滑臂上的反馈电压增大，系统反馈系数也变大，输出将降低，这时对应于正常工作阶段输出36V。
图5电压控制电路
这里，用PWM数据的调制度大致决定输出电压幅度。确定此参数时，断开负反馈环，VICOR模块输出额定电压，系统带满载并能输出预定电压时的调制度，就是合适的取值，经实验，68V、36V的调制度分别取为1.50、0.50。用电位器RP1、RP2可对输出电压在一定范围内微调。输出36V时，仅RP1起作用，故应先调定RP1，再用RP2对68V调节。
取样电阻值的选择很重要，选得过小，光耦会出现饱和情况，系统就会振荡；选得太大，光耦不足以导通，负反馈环起不到调节作用。
5产品性能和应用情况
研制的电源能满足外形尺寸要求，能以简洁的电路实现并完全达到各性能参数的关键在于VICOR模块与逆变部分的巧妙配合。以下是产品的实测数据：
（1）输出电压：
直流电源模块 篇3
工欲善其事必先利其器，要想改造电源供电线缆，使用普通电源肯定是不靠谱的，原配线改造有一定难度，而自己重接线缆又有漏电危险，并不是很推荐这么做。其实为了机箱内部清洁和线缆自定义，已经有专门的全模组化电源了。根据需求自选所需线缆而多余的线缆全部不用插，对比以前的电源已经很人性化了。但依旧有很多高要求的用户不满意，因为虽然线缆可选，但其长度、颜色、接口数量和软硬程度都是厂家指定的，并不见得能和自己的机箱100%完美兼容，肯定还会有多余的线缆。
手工打造模组线
在打造模组线之前我们需要自行购买一些材料和工具，这是必不可少的环节。首先说说模块，模块就是连接电源或者设备那个方形的塑料接口，比如主板的24PIN、处理器的4或者8PIN和显卡6PIN等等。在手工打造模组线领域，JMT品牌的模块口碑一直相当不错，也是淘宝众多专业代做模组线商家的首选。需要注意的是类似CPU 8PIN和显卡8PIN这类模块外形很相似，制作起来一定注意。
模块之外是端子，这可能比模块本身更为重要。端子其实就是模块中可见的金属接口，另一头直接连接线缆。端子有公母之分，我们需要根据模块的作用来决定使用何种端子。端子连接线缆所用金属脚的长度不同，也分为长脚端子和短脚端子，如果压制单线短脚即可，如果需要压制双线用长脚端子。挑选端子时很重要的一点就是一定要挑接口大一些的端子，这样在进入模块后才不至于由于后部线缆的扭动让端子接口也在模块中转圈。否则会造成接线困难，长时间扭动使用会引起安全隐患。
可能很多人认为线缆的选择是重中之重，其实相对接头的选择要简单一些。常见的线缆有普通线、镀银线还有硅胶线，很多淘宝商家还提供尼龙包网服务，其实我们自己也可以实现包网。如何分辨线材质量呢？并不一定是越粗越好，一般镀银线较细，我们选择直径1.8mm以上即可;但如果是硅胶线，一定要选择2.2mm以上直径的产品。当然还有更粗的尺寸，其电气性能肯定更好，但过粗过硬有些影响走线。
挑选工具和具体做线
做线最重要的工具是压线钳，如果再有专门的剥线钳就基本可以开工了。剥线钳最主要的作用就是将线缆从外部材质上剥离3～4mm即可，如果实在没有，使用锋利一点的剪子将外部材质轻轻剪一圈也能取下，不过如果线缆数量众多可能会比较累。
直流电源模块 篇4
这种“芯片+电路板+元器件”的模块, 对于设计工程师就像是一块芯片, 只要一个输入电流, 经过滤波, 设定其输出值就可以了。对于应用工程师来讲, 不需要专门去做电源设计, 空间也可很小, 甚至模块可以放到板子后面。
参考阅读:
直流电源模块 篇5
设计工程人员面临许多挑战，其中之一就是为不断发展的中等功率(每板<100W)桌面、数据通讯及电信系统提供低电压配电架构。最新硅产品的工作电压正逐渐步入1.0V～2.5V的范围。在计算机与电信系统中，每个电路板上都必须实现 dc 电源总线隔离，而其中的典型电源解决方案主要由昂贵的多种系列单输出隔离式 dc/dc 电源模块组成。
跨多种应用领域的系统设计人员具有类似的需求以及对倾向于采用 dc/dc 电源模块的要求。最经常提到是对更薄厚度、更小面积、更高效率及更大功率密度 [1] 等特性的需求。新一代 dc/dc 电源模块应运而生，正开始步入市场以满足上述要求。这些双输出和三输出隔离式模块运行于标准的 -48V 局端电源中，可提供 3W～100W 的功率。它们包括输出电压最低达 1.0V 的模块及最高输出电流达 30A 的模块。
尺寸
系统设计人员为在更小空间中实现更高性能的信号处理电路，所面临的竞争挑战日益激烈。先进的 DSP 与 ASIC 有助于提供此功能，但需要更多电压较低的电源轨，并需具备高精度排序与调节。通过减少实施电力系统所需的整体模块数，最新的多输出电源模块满足了这一要求。
描述模块效率面积(平方英寸) 成本(1千/年) 多个单输出隔离式模块33W效率 单输出3.3V/9A89.0%3.742.38美元 20W 单输出 2.5V/8A75.0%3.0638.52美元 总计：77.6%9.82119.42美元 单个三输出隔离式模块25A 三输出3.3/2.5/1.8V87.0%5.4196.64美元
多输出电源模块提供了可节省板级空间的独特设计选择。分布式电源架构正逐渐渗透电信与数据通信市场。就需要超过三种不同电压的应用而言，设计人员可使用多输出模块提供电源总线隔离，并可为各种负载点模块供电。这种配置使设计人员不必再担心使用所有单输出模块所需的板级空间。
电气性能
排序
最新的 DSP、ASIC、FPGA 及微处理器需要多个低电压，并可能要求复杂多变的加电/断电排序。由于产品上市时间的限制，众多更高级产品(其中电源模块仅是该产品的一个组件)的设计没有时间或板级空间来构建外置排序电路。而且，即便不受时间与板级空间的限制，他们也必须考虑组件成本的增加。比较简单的解决方案就是选择采用可利用新型内部排序多输出电源模块的系统电源架构。
例如，诸如德州仪器 (TI) PT4850 系列的三输出模块的加电特性就能够满足微处理器及 DSP 芯片组的要求。该模块运行于标准的 -48V 输入电压下，其额定组合输出电流可达 25A。输出电压选项包括一个用于 DSP 或 ASIC 内核的低电压输出，以及两个用于I/O和其他功能的额外电源电压。
PT4850提供了最佳的加电顺序，可监视输出电压，并可在短路等错误情况出现时提供所有电压轨道的有序关闭。所有三个输出均在内部进行排序以便同时加电启动。
在加电启动时，Vo1起初升至约0.8V，随后Vo2 与 Vo3 快速增加至与 Vo1 相同的电压数。所有三个输出而后一起增加，直至每个均达到其各自电压为止。该模块一般在 150ms 内产生完全自动调整的输出。在关闭时，由于整流器活动开关的放电效果，所有输出快速下降。放电时间一般为100µs，但根据外部负载电容而有所差异。
效率
在低功率应用中，即便最小的 dc/dc 电源模块可能也会有数百毫瓦的静态损失。这解些损失主要由耗费功率的组件造成的，如整流器、交换晶体管及变压器。如果使用一个部件来提供原本需要二至三个独立分组部件所做的工作，那么就可以减少耗费功率的组件总数量。如表1所示，这提高了 9.4% 的效率。
一些最新的多输出模块可在全额定负载电流中以 90% 的效率运行。这样的高效率恰恰是由那些使用 MOSFET 同步整流器的拓扑实现的。该整流器消耗的电量比上一代 dc/dc 电源模块中使用的肖特基二极管耗电要少。
互稳压
最新的多输出电源模块采用先进的电路，消灭了互稳压问题，提高了输出电压的波纹和瞬态相应。根据以前的经验，在模块的任何一个输出上增加输出电流均会导致其他输出上的电压改变。TI 的 PT4850 与 PT4820 系列三输出模块则解决了这一问题。新一代电源模块在隔离阻障的输出端上就每个输出都采用稳压控制电路。通过专有磁耦合设计，控制信号可在模块初级端与二级端之间进行传递。图5显示了输出一 (≤5mV) 在输出二负载增加情况下的变化。
瞬态与波纹
PT4820 与 PT4850 系列具有出色的瞬态响应和输出电压波纹性能等特点。该模块的三逻辑电压输出是独立调节的，这有助于可与单输出电源模块相媲美的瞬态响应 (≤200µSec) 和输出电压波纹 (≤20mV)。
成本
多输出电源组件不再需要两个或更多单输出器件，这就减少了成本。表1显示了电源相同的一个25A三输出模块与三个单输出模块的对比。
在分布式电源应用中，设计人员通过利用单个多输出模块和非隔离式负载点模块(图2)替代了高成本的单输出砖，从而实现了成本节约。也可以实现，由于多输出模块在更少组件情况下也可得以实施，因此进一步节约了成本(和板级空间)。例如，在某些应用中，多输出模块仅要求一个热插拔控制器和输入去耦电容器。相反，这些组件在电源系统中则必须与每个单输出砖结合使用。
产品上市时间是一种间接成本，利用多输出电源模块可减少该成本。这种成本节约主要是由于 OEM 厂商减少了设计、测试和制造等资源。
故障管理
设计人员必须确定其电源系统如何对故障情况进行响应。当今的多输出电源模块结合了先进的故障管理功能。这些功能包括过压、过流和短路保护，有助于防止损坏设计者的电路。
输出过电压保护利用的是可不断检测输出过电压情况的电路系统。当电压超过预设级别 (preset level) 时，电路系统将关闭或箝住电源输出，并使模块进入锁定状态。为了恢复正常操作，一些模块必须主动重启。这可通过立刻消除转换器的输入电源得到实现。为了实现故障自动保护运行和冗余，过电压保护电路系统是独立于模块的内部反馈回路的。
过电流保护可防止负载错误。在某些设计中，一旦来自模块的负载电流达到电流限制阈值，如果负载再尝试吸收更多电流的`话，那么就会导致模块稳压输出电压的下降。该模块不会因为持续施于任何输出的负载错误而损坏。
当模块各输出的组合电流超过电流限制阈值时(如任何输出引脚上发生短路)，短路保护将关闭模块。该关闭将迫使所有输出的输出电压同时降至零。关闭之后，模块将在固定间隔时间中通过执行软启动加电定期尝试恢复。如果负载故障仍然存在，那么模块将持续经历连续的过电流错误、关闭和重启。
灵活性
电压和电流输出以及封装设计的灵活性是多输出电源模块的一个关键特性。某些制造商可提供24V(18V至36V)与48V(36V至72V)两种输入。其采用完全隔离输出的通用架构可使系统设计人员在双或三输出电路中使用模块，而不会造成过多最低负载要求或互稳压降级的情况。
由于芯片供应商开发器件的操作电压不一定符合以前的迭代法，因此电压和电流输出方面的灵活性正变得日趋重要。众多的多输出模块都以独立调节和可调的输出电压来解决此问题。为了获得独特的电压，某些模块上的输出可从外部电压进行远程编程。此外，诸如Tyco公司的CC025等三输出系列模块还可以通过使用连接到调整引脚 (trim pin) 的外部电阻来允许输出电压设定点调整。
封装灵活性简化了主板设计人员的工作。许多现有的多输出模块都使用业界标准的砖形封装 (brick type packaging) 和面积规格，这确保了引脚兼容性和辅助货源。TI 的Excalibur™ 系列等创新型模块均采用具有表面安装、垂直通孔和平行通孔封装风格的镀锡薄板铜盒。
多输出电源模块的商业可用性为设计人员提供了极佳的灵活性。表2显示了一些制造多输出模块的业界领先供应商。这些模块存储于领先的分销商处，可为设计资格认证和最后时刻的更改提供极快的可用性。
表2、多输出模块制造商
制造商产品类型Artesyn 科技公司15W至60W双、三输出Astec20W至150W双输出爱立信30W至110W双、三输出APower-One2.5W至195W双、三、四输出SynQor40W至60W双输出德州仪器3W至75W双、三、四输出Tyco Power Systems25W至50W双、三输出
可靠性
具有高度可靠性的电源系统设计是系统设计人员始终都要面对的挑战。从内在来说，使用单个多输出模块的电源系统的可靠性要高于所有单输出模块。例如，一个三输出模块可提供1,108,303小时的额定MTBF(902.3 FIT)。与此相对照，提供相同输出电压和电流的三个单输出模块则达到了984,736 MTBF (1015.5 FIT) 的额定MTBF。多输出模块之所以具有更高的可靠性，是因为其架构中使用的总体组件数量更少。
结论
随着产业潮流要求设计人员使用体积更小、效率更高的电源供应，电源模块制造商推出了可简化系统设计及操作的多输出dc/dc电源模块，以响应上述潮流。最新的多输出模块能够通过为混合逻辑应用(诸如DSP、ASIC和微处理器等)提供稳压低电压输出而使设计人员受益。与前代产品相比，上述模块显著提高了给定面积上的功能。在某些情况下，该小型架构所占空间仅为单输出电源模块的55%。减少模块数量也可以降低成本，同时提高效率和可靠性。内置的操作和保护特性免除了开发外部电路系统的任务和费用，从而不仅节省了板级空间，而且还大大加快了产品的上面进程。
参考书目
开关电源模块并联供电系统设计 篇6
2 主要模块设计方案
2.1 供电系统
桥式整流电路的工作原理如图2:e2为正半周时, 对D1、D3和方向电压, Dl, D3导通;对D2、D4加反向电压, D2、D4截止。电路中构成e2、Dl、Rfz、D3通电回路, 在Rfz, 上形成上正下负的半波整洗电压, e2为负半周时, 对D2、D4加正向电压, D2、D4导通;对D1、D3加反向电压, D1、D3截止。电路中构成e2、D2、Rfz、D4通电回路, 同样在Rfz上形成上正下负的另外半波的整流电压。
2.2 DC模块的选择
电源芯片采用美国国家半导体的LM2596—ADJ它是一款降压型的PWM调节方式的开关稳压电源的芯片, 内部振荡源频率为150KHZ, 最大输出电流3A, 最大输出电压40V, 基本可以满足题目要求。它通常被作为恒压电源应用, 此时其通过电压取样电压反馈稳压方式达到稳定电压的目的。
2.3 输出电流比例实现方案
输出电流比例实现有两种方案。一是通过单片机控制ucc29002来实现电流比例, 但电路极其复杂。二是调节内部参数使DC-DC模块输出电流1:2。当电流需要1:1的时候, 通过检测, 单片机识别选通, 让均流模块电路ucc9002工作, 实现电流1:1。
UCC29002采用一个高增益、高精度的放大器, 能检测到外面的输入的微小的电压变化量, 放大倍数的大小可以通过改变外电路的参数获得。UCC29002中的电流检测放大器的输入偏置电压极低, 使得它可以精确的检测到一个阻值很小的电流采样电阻上的微小电流变化量。而且, 它的共模范围介于接地电压和UCC29002供电电压之间。芯片电流读出放大器超低的输入补偿电压使得对通过低值电阻的电流信息的检测更加适宜。为防止错误的输出调整信号, 在误差放大器的反向输入端加一个比同向输入端高25m V的固定偏置, 当连输入端输入相等时不会做出调整。当芯片不能正常工作时调整放大器的同向输入端将被下拉到地 (相当于误差放大器输出为零) , 防止该单元被错误调整, 此外, 误差放大器的两个输入端还可作为使能。
2.4 单片机检测实现方案
用霍尔传感器 (ACS712) 检测负载上电流, 把电流变为电压, 然后经过D/A把信号传给单片机。
2.5 单片机过流控制方案
用单片机实现对模拟开关CD4051控制选通实现电路调整如过流保护, 如图3所示。
使用低功耗单片机MSP430实时监测电流。因为UCC29002的8脚电压与系统的输出电流成正相关, 我们用MSP430片内12位ADC定时采样该电压。并把它与预先设定的电压比较来判断过流。当连续两次检测到电流过大时, 关断TPS5430使系统不输出电压, 6秒延时后使能TPS5430, 并继续检测电流。
3 系统测试与误差分析
3.1 性能指标
实验过程:在实验室220v交流点下分别测量CD模块空载输出 (测量数据及结果如表1) 和负载输出。
3.2 比例均流性能指标
实验过程:把CD模块的输出端后接均流电路分别测量两路的输出电流。
3.3 单片机调节电路性能
实验过程:调节可视负载使输出总电流由1A逐渐增大到6A再减小到4A观察各电路电流量。
3.4 均流效率
实验过程:改变负载电阻测量负载功率P1和CD模块输出功率P2由P1/P2计算均流效率。
从测试结果来看, 均流偏差在0.5%以内。但是电源均流时两路的电流仍有一定的误差, 并非绝对均流;而且均流偏差变化不是线性的, 即输出电流增大时, 均流偏差不是单调变化。主要原因是由于我们均流方法是UCC29002, 通过能检测到外面的输入的微小的电压变化量, 放大调节。但由于电路本身和焊接等原因, 造成一定误差。若需要进一步减小误差, 则需采用更为精确的平均电流均流法。均流误差的非单调变化, 主要是由于采样电阻等分立元件的温漂及杂散噪声引起, 当温度变化或工作频率变化时, 电阻会偏离原来的阻值, 导致UCC29002内部调节信号偏离理论计算值, 从而使调制的信号和理论值有差异, 产生均流偏差波动。
摘要：选用开关电源芯片LM2596和load sharing芯片UCC29002, 并选用两片load sharing芯片UCC29002的配合使用, 通过调节上路电路中连接在UCC29002电位器, 使上下两路对称, 实现自动均流。并由单片机监控调节, 确保电路安全, 灵活变换。
关键词：LM2596,UCC29002,反馈
参考文献
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[7]华成英, 童诗白.模拟电路基础[M].清华大学电子学教研组, 2001.
VSC电源模块故障浅析与探讨 篇7
1 故障模块检查
我厂烧毁的VSC电源控制模块均为电源输入端负极的共模干扰抑止压敏电阻爆裂、短路。此为EPCOS生产的S10K150型压敏电阻,其参数VRMS为150V,VDC为200V,最大电流Imax(8/20us)为2500A,最大能量Wmax(2ms)为24J。
进一步对电路板上所有元件进行检查发现,除了压敏电阻以外,大部分电路板的电源输入端共模干扰抑止电感线圈负极已经开路(线圈烧断),仅剩一块电路板上的电感线圈还完好。将烧毁的压敏电阻去除并短接烧断的线圈后,VSC即可正常分合闸。
发生故障的两个元件都位于VSC控制模块的电源输入端口,这两个元件与其它临近元件构成了VSC控制模块的入口EMC回路。通过查找图纸,共模抑止电感线圈为L1A,负极共模抑止压敏电阻为ZN5A。共模线圈型号为B82721-K2401-N21,额定电流0.4A.
2 现场检查
针对故障发生的情况,我们对控制电源板进行了深入细致的检查,发现故障现象全部表现为压敏电阻相关元件烧毁,所以现场调查集中在过电压可能产生的原因方面。
2.1 VSC上电(合小母线空开)的瞬态过程
针对VSC的二次进线空开进行合闸(上电)操作,使用录波仪对二次电压监视测量,未发现有任何过电压产生。通过小母线负极对地电压(-55V)的录波图,可以观察到一个小的电压尖峰,代表电压在空开投入瞬间有一个电压的瞬时跌落,此为VSC的瞬时充电电流造成。
2.2 VSC分合闸线圈操作对二次电压的影响
在现场对VSC空载及带负载(6kV电动机)进行分合闸操作,使用录波仪对二次电压监视测量,未发现有任何过电压产生。
2.3 直流蓄电池的检查
在现场对两组直流蓄电池分别进行投切、并列和转换操作,使用录波仪对二次电压监视测量,未发现有因为浮充带来的任何过电压现象发生。对两段110V直流蓄电池组进行并列及切换操作,使用录波仪对二次电压监视测量,未发现有任何过电压产生。
2.4 小结
从以上对系统和VSC本身的现场实测结果可以判定,我厂的二次设计系统设计安装及VSC的操作均正常,没有发现任何产生可导致压敏电阻击穿的过电压的发生源。VSC的压敏电阻选用的是EPCOS的进口元件,从质量水平来说EPCOS元件是电子业内公认的世界顶级产品,设计耐压值为220V的产品在55V电压下发生大量击穿的可能性微乎其微。并且在统一控制电路板上对称分不了完全相同的同型号压敏电阻,没有发生任何击穿的现象,因此我们可以排除元件质量的因素。
3 原因分析
要将压敏电阻击穿只需高于阀值的电压即可。但压敏电阻在过电压消失后将自动恢复到正常水平,要将压敏电阻击穿并发生爆炸,则不光需要很高的电压,同时必须具有很大的能量,也就是说需要数十安培以上的大电流,并持续一定的时间。同时此段度电流要将前方的电感线圈烧断形成开路。从S10K150的参数可知,如果要用一个20us的标准脉冲将其击穿到失效,电流需要大于2500A,如果要发生爆炸效果,其电流还得增大至1.5～2.0倍以上。从现场元件的烧毁程度我们可以判定,在ZN5位置的压敏电阻有一个很大的接地电流流过。
从电流的通路和方向上来说,要烧毁ZN5位置压敏电阻并烧断L1位置的共模线圈,其电流流径的入口必定为从负极到正极,经过L1到达ZN5的压敏电阻,从接地流出,不存在其他路径的可能性。
按照设计,110 V直流系统经过一对100k的电阻虚接地,正负极对称+55V/-55V电压。此形式的直流系统中如果发生单侧接地,接地电阻即为100k,接地电流仅为0.55mA,只有非常小的接地电流产生。只有当正极与负极发生直接短接时,才具有真正的短路电流,但这种工况不可能发生。因此,目前我们使用的110V直流系统不可能提供高达数十安的接地电流的能力。
要提供短路接地电流,只有直接接地的电源系统才有可能。在我厂的二次电源系统中,只有220V交流电源系统采用了直接接地。由于VSC电源柜中220V交流与110V直流系统并存,因此存在将220V交流电源(火线)误碰到到110V直流母线的可能。针对这种情况,我厂电气工程师与ABB专家进行了现场模拟,将柜内的交流系统火线引入VSC的负极,观察到ZN5压敏电阻瞬时发生了烧毁爆炸,同时电感线圈烧断,爆炸的现象和破坏程度与前期状况完全吻合。
所有的直接资料表明,各种模式的操作过电压在我厂的二次系统中都不存在,二次系统的设计是完善的;VSC控制电源板的元件不存在任何质量问题,在经大电阻接地的直流系统中,不可能由于无缘负载而产生超过系统设计的接地电流。从技术上分析,220V交流电源的串入是唯一的可能。
4 防范措施
在我厂电气工程师与ABB专家讨论后,针对现场情况采取了以下措施。
(1)在110V母线增加临时分立的压敏电阻模块,以保护VSC接触器的电源板。
(2)ABB公司售后服务人员彻底检查曾经连接到小母线上的电源板,对任何不能排除曾承受过过电压可能性的控制电源板直接更换。
5 结语
我厂6Kv厂用电系统中采用了数量较多的ABB F-C接触器型开关,其技术先进,性能稳定,服务到位。但运营过程中的工况万千,本文针对其开关内部的电源板烧毁做了一些经验性的技术总结,以供借鉴。
参考文献
新型模块化多电平直流融冰装置 篇8
2008年冰灾以来,输电线路冬季覆冰问题受到高度重视,兼有静止无功补偿器(SVC)功能的直流融冰装置成为研究热点,得到较大发展。2008年10月,南方电网公司福泉500kV变电站60MW固定式直流融冰装置通过现场试验[1,2];2008年12月,国家电网公司益阳500 kV复兴变电站120 MW固定式直流融冰装置通过现场试验[3]。直流融冰装置投运以来,在抗冰保电方面取得了良好的效果。但兼有SVC功能的晶闸管整流装置用于直流融冰时存在体积大、谐波污染严重以及拓扑切换复杂等不足,特别是用做移动式融冰装置时,这些问题尤为突出。
随着电力电子技术的进步,一方面在动态无功补偿领域,H桥链式静止同步补偿器(STATCOM)在体积、重量以及补偿性能上具有明显优势,正逐步取代SVC装置;另一方面,基于链式结构的半桥模块化多电平变流器(MMC)已应用于柔性直流输电领域并展现出技术优势。与链式STATCOM相比,MMC采用与之类似的模块串联结构,同时具备四象限运行能力,因而应用范围更加广阔[4]。
本文在电力电子新技术的基础上,结合直流融冰装置需兼顾动态无功补偿功能的应用需求,提出了一种采用双星接全桥型模块化多电平变流器(DSBC-MMC)的新型直流融冰装置。理论分析和数字仿真结果表明,基于DSBC-MMC的新型直流融冰装置具有以下技术优势。
1)输出直流电压、电流,可在0到额定值之间全范围连续调节。
2)多电平脉宽调制(PWM)整流,无需整流变压器,没有谐波污染,不需要无源滤波器。
3)结构简单,无功补偿模式和融冰模式无需进行拓扑结构切换。
1 直流融冰装置的技术需求
尽管与传统的交流融冰方案相比,直流融冰所需的电源容量较小,在经济性和技术可行性方面具有显著优势[5]。但由于融冰装置仅在冬季覆冰期才会使用,利用率低。为克服这一弊端,提出兼有SVC功能的直流融冰技术方案。
根据构成原理的不同,兼有SVC功能的直流融冰装置大致可分为晶闸管控制电抗器(TCR)型和可控整流器型2种[6,7],且在国内外都有实际工程应用。加拿大魁北克省和江西复兴站采用将直流融冰装置改造为TCR接线形式的SVC;俄罗斯和浙江金华站则采用整流桥直流侧经平波电抗短路的方法,将融冰装置改造为可控整流器型SVC[7]。
文献[6]中指出,TCR型直流融冰兼无功补偿装置在无功补偿与直流融冰2种模式下的主电路拓扑结构和控制方式完全不同。改变运行模式时,装置需退出运行以更改主电路接线和控制方式,功能切换复杂。而可控整流器型直流融冰兼无功补偿装置只需通过外部隔离开关的简单分合操作,就能实现无功补偿与直流融冰运行模式之间的切换,2种运行模式下的主电路拓扑结构和控制方式基本不变,切换操作灵活、便捷,装置运行的可靠性得到保证。
通过详细的计算发现,可控整流器型SVC运行时电压应力、阀损耗和谐波均明显大于TCR型SVC装置,且直流融冰兼无功补偿装置绝大部分时间运行于无功补偿模式[7],导致其综合运行效益大大降低。
综上所述,兼有SVC功能的直流融冰技术方案,在功能切换的便捷性与综合运行效益之间无法兼得。除此之外,无论以上何种SVC方案,都需要有整流变压器、平波电抗器以及无源滤波器,因而融冰装置体积庞大,且会对电网造成不同程度的谐波污染。
2 基于可关断器件的直流融冰方案
为了解决融冰装置的谐波和体积庞大的问题,采用可关断器件(例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等)和PWM技术成为必然的选择。
从提出兼有SVC功能的直流融冰技术方案以来,对直流融冰装置的功能和控制性能的要求也提出了更高的标准,根据现有的技术水平和实际的应用需求,应至少包括以下3个方面。
1)输出电流、电压应能够宽范围连续可调,从而满足不同类型导线和不同线路长度的融冰需要。
2)体积小、占地少、操作简便、维护量少。由于线路覆冰的不确定性,融冰装置应尽可能便于移动。
3)尽量减少谐波、噪声等对变电站和系统的不利影响,同时兼顾变电站动态无功补偿的应用需求,以提高设备利用率。
按照这一技术发展思路,文献[8]中提出STATCOM型直流融冰装置的方案设想。尽管STATCOM具有比SVC更好的谐波特性和动态无功补偿能力,但由于10kV以上中压STATCOM装置采用的H桥链式多电平结构,没有公共直流母线,无法输出直流高压,因而这种方案仅适用于0.4kV低压两电平系统,只能满足低压线路的融冰需求。文献[5]中提出采用柔性直流输电的技术方案进行直流融冰,但也存在明显的不足:无论是IGBT串联低电平方案,还是MMC多电平方案,其直流侧的工作电压都必须高于交流整流电压才能避免出现PWM过调制,即柔性直流输电技术方案中直流侧的输出电压只能在交流整流电压以上进行调节,可调范围非常有限,无法满足不同线路长度和不同类型导线的融冰需求。
在以上方案的基础上,文献[3,9-10]提出了一种基于直流斩波单元串联的电压源逆变器(VSC)型直流融冰装置。该装置通过移相变压器和PWM整流来克服谐波问题,利用单元串联实现直流高压输出,并通过采用斩波电路来保证输出直流电压宽范围连续可调。除融冰功能外,该装置还可作为柔性直流输电设备使用。该方案充分考虑了直流融冰装置的应用需求,有效避免了SVC型直流融冰装置存在的不足。但是使用移相变压器增加了装置的体积和占地要求,降低了灵活性。同时,三相PWM整流加直流斩波的单元结构过于复杂,成本高、损耗大、可靠性较差。另外,高频直流斩波电压连接于输电线路还存在电磁兼容风险。
本文在对比现行技术方案优缺点的基础上,提出一种新的直流融冰技术方案,采用全桥型MMC技术,将直流融冰装置和动态无功补偿装置相结合,不仅结构简单,无需整流变压器或移相变压器,而且操作便捷,功能切换时无需切换拓扑结构和运行模式,可实现交流侧的多电平输出,无谐波问题,无需加装滤波器。该方案具有占地小、重量轻、经济性好、运行效率高等诸多优点。
3 全桥型模块化多电平变流器
按照拓扑结构的特点,可将MMC分为4种类型[11]:(1)星接全桥型(SSBC);(2)角接全桥型(SDBC);(3)双星接半桥型(DSCC);(4)双星接全桥型(DSBC)。其中,前2种拓扑在中压动态无功补偿中作为链式STATCOM的基本拓扑被广泛应用;第3种拓扑则是柔性直流输电(VSC-HVDC)领域的2种主要技术方案之一;而第4种(如图1所示)仅是拓扑推演的结果,目前尚未有明确应用领域。
本文将全桥模块化多电平拓扑方案应用于直流融冰领域,研究表明DSBC-MMC不仅能满足直流融冰的各项技术要求,同时能够兼容变电站动态无功补偿的需求,实现了1套装置、2种功能的完美融合。
从拓扑结构来看,图1所示的DSBC-MMC相当于2台并联的星接链式STATCOM装置,不同之处在于将2台STATCOM装置的中性点分别引出作为直流输出端。与星接链式STATCOM装置的三端交流输出相比,DSBC-MMC有交、直流母线,从而可以同时传输有功和无功功率,实现四象限运行。
与柔性直流输电中采用的半桥MMC相比,DSBC-MMC具有类似的整体结构,不同之处在于将装置中的单元模块由半桥斩波电路改为全桥电路。在半桥MMC中,单元模块的输出电压中直流分量固定不变,而在DSBC-MMC中,单元模块的输出电压中的直流分量可任意调节,从而使装置具有直流输出电压连续可调的能力。
本文所提出的DSBC-MMC直流融冰装置相当于将链式STATCOM和MMC变流器相结合,使其具备交流侧为多电平PWM整流、直流侧输出连续可调直流电压的能力。该装置能够天然地兼容链式STATCOM的所有功能,不仅具备与MMC类似的高压直流输出端,还具有MMC所不具备的输出直流电压宽范围连续可调的能力,从而能够满足融冰装置的全部功能需求。
4 新型直流融冰装置的运行与控制
DSBC-MMC装置用于直流融冰和动态无功补偿功能的控制框图见图2。其中:Qset为无功功率指令;iQRef为对应的无功电流指令;iPRef为有功电流指令;iRef为总的输出电流指令;uU,uV,uW为三相输出电压指令;AVC表示自动电压控制。
基于DSBC-MMC的直流融冰装置的运行与控制技术包括系统级控制和装置级控制2个部分。系统级控制包括直流电压控制和动态无功控制;装置级控制包括直流总电压控制(电压外环)、交流电流闭环控制(电流内环)、零序电压注入、模块均压控制以及载波移相调制等。
系统级的直流电压控制用于生成装置直流侧的输出电压指令,由外部给定值Ud经过电压闭环控制得到。系统级控制以装置级控制为基础,首先通过装置级直流总电压控制将同一相所有模块直流电容电压之和稳定在设定值Udc,然后,系统级控制通过对每个模块的输出电压进行调制,使得装置的直流输出电压为:
式中:ds为模块输出直流分量对应的调制比。
动态无功控制用于生成装置交流侧输出的无功电流指令,分为2种方式:(1)根据变电站电压系统(AVC)的指令来实时给定;(2)通过设定无功—电压曲线,使装置根据交流母线电压的变化情况,自动调节输出的无功电流。动态无功电流指令通过装置级电流闭环控制来实现跟踪控制。
在装置级的控制方法上,DSBC-MMC与链式STATCOM及半桥MMC有诸多相似之处,如模块均压控制、环流控制、载波移相调制等,相关文献中已有广泛研究[12,13,14,15,16],本文不再赘述。但在输出直流电压控制方面,DSBC-MMC有其独特之处,本文围绕直流融冰装置的功能需求,着重分析DSBC-MMC装置中与输出直流电压调节相关的控制技术,主要包括直流电压调制、零序电压注入和功能切换等。
4.1 直流电压调制原理
DSBC-MMC直流融冰装置的接线如图3所示,三相桥臂的中点分别连接A,B,C三相交流电网;上、下桥臂的中性点MH和ML为直流侧正负母线,连接覆冰线路。如前所述,DSBC-MMC通过调整上、下桥臂的中性点MH和ML的直流偏移电位,实现可控的直流输出。
在链式MMC中,装置的交、直流输出电压由每个模块的输出电压叠加而成,同一相内各个模块的工作情况基本类似。不失一般性,以A相任意模块n为例,来说明DSBC-MMC输出直流电压、电流的基本原理,如图4所示。
图4所示为链式STATCOM和DSBC-MMC均采用的全桥模块。在链式STATCOM中,H桥模块的输出为正负对称的交流电压,不含直流分量,其输出电压的表达式为:
式中:Uan为单模块输出交流电压的幅值。
图3中所示的DSBC-MMC主电路中,MH和ML的直流电位偏移是串联模块输出电压叠加的结果,因而每个H桥模块的输出中既含有交流分量,也有直流分量。H桥模块输出电压的直流分量通过PWM来实现。对于A,B,C三相上桥臂的H桥模块,叠加幅值为Udn的直流分量,模块输出电压为:
式中:udcHn为上桥臂第n个模块的直流电容电压。
对于下桥臂的模块,直流电容电压为udcLn,叠加幅值为-Udn的直流分量,模块输出电压为:
各相上、下桥臂的输出电压为各自N个串联模块输出电压的叠加,其输出电压表达式为:
式中:X=U,V,W。
由于A,B,C三相上、下桥臂的输出电压中含有幅值相同的直流分量,UH,VH,WH之间以及UL,VL,WL之间的线电压不发生变化,因而其交流输出电流不受直流偏移电压的影响。
DSBC-MMC运行过程中,各相上、下桥臂输出的交流电流相等,同一相中上、下2个连接电抗上的压降相互抵消,因而上、下桥臂中性点MH和ML的电位差为:
即MH和ML之间的电压差仅含有直流分量Ud,其幅值为同一相所有模块直流偏移电压之和。
4.2 零序电压注入调制原理
在如图4所示的全桥模块中,若直流电容电压为Udcn,则模块的输出电压只能在-Udcn~Udcn之间变化。当输出电压中含有直流分量时,输出电压交流分量的幅值会受到影响。因而,与链式STATCOM的运行方式相比,在输出相同交流电压的条件下,DSBC-MMC需要更高的直流电压。在开关器件耐压一定的情况下,更高的直流电压意味着需要串联更多模块,无疑会增加装置成本。
本文借鉴两电平变流器中空间矢量脉宽调制(SVPWM)中的三次谐波注入原理,为DSBC-MMC设计了一种简单有效的零序电压注入方法,将三相电压调制波由正弦波变为“平顶波”,可有效提高装置的直流电压利用率,且能够获得最大的直流电压偏移。
零序电压注入的基本原理是在三相交流输出中加入幅值和相位完全相同的交流分量,从而仅改变调制电压,不影响输出电流。在DSBC-MMC中,以上桥臂为例进行说明。桥臂中所有模块的直流总电压记为Udc,上桥臂U,V,W三相的输出电压指令(调制电压)分别为uU,uV,uW,构造零序电压u0,其表达式为:
注入零序电压后的三相调制电压定义为:
零序电压注入的方法即为将三相调制电压分别减去上述零序电压u0,从而尽可能让三相调制电压回到调制比允许的范围内,如图5所示。
以三相对称的工频调制电压为例,采用上述方法构造的零序电压注入前后的电压波形如图6所示。
计算和仿真结果表明,通过采用零序电压注入的调制策略,输出的“平顶波”电压的幅值减小为原来正弦波的86.6%,从而将直流电压的利用率提高15%,达到两电平SVPWM的水平。
4.3 直流融冰与无功补偿的功能切换
图3所示的DSBC-MMC装置接线图中,作为直流融冰装置运行时,装置的交流侧连接电网,直流侧连接待融冰线路;作为动态无功补偿装置运行时,交流侧仍连接电网,直流侧与融冰线路断开即可。
另一方面,在图2所示的系统控制框图中,DSBC-MMC装置的直流融冰功能和动态无功补偿功能是在同一控制模式下实现的,即装置功能切换时,只需将直流输出电压指令即图2中Ud设为0即可,无需进行控制策略切换。
因而,在整个功能切换过程中,DSBC-MMC装置无需进行主回路拓扑变化,也无需进行控制策略切换,从而简化了操作,降低了故障概率,提高了整体可靠性。
5 系统设计与仿真验证
为了验证DSBC-MMC装置的直流融冰功能和相关控制方法,在PSCAD中搭建了针对典型220kV线路的直流融冰装置的数字仿真模型。
典型220kV变电站出线一般为LGJ-2x240/55,线路最长为50km。该类型导线的最小融冰电流为1 240 A,直流电阻为0.0 599Ω/km,采用1-1接线时线路直流电阻为5.99Ω。
本文给出DSBC-MMC直流融冰装置主要设计参数。额定交流电压为10kV;额定直流电压为0~15.8kV;额定直流电流为0~2 400A;每相串联模块数量为30个,上下桥臂各15个;模块直流电容电压为1 000V;模块输出交流分量为385V;模块输出直流分量为0~528V。
图7为DSBC-MMC从无功补偿模式切换到直流融冰模式,再切换回无功补偿模式全过程中,直流电压指令Ud、无功补偿指令Qs以及交、直流侧电流的波形。DSBC-MMC可以在无功补偿功能和直流融冰功能之间平滑切换,切换过程在1个工频周期内即可完成。
图8显示了注入零序电压采用后,在直流融冰时上、下桥臂的输出电压为含有直流分量的“平顶波”。图9所示为上、下桥臂及交流侧电流波形,在无功补偿时,DSBC-MMC上、下桥臂输出电流相等且只含有交流分量,而在直流融冰时上、下桥臂的输出电流既含有直流分量,也含有交流分量,但其交流侧总电流不含直流分量。上述仿真结果验证了本文提出的DSBC-MMC直流融冰方案及其控制方法的有效性。
6 结语
本文从电网的实际应用需求出发,提出了一种新型模块化多电平直流融冰装置,将变电站的动态无功补偿需求和冬季融冰需求相结合,一方面引入新一代动态无功补偿装置,提高变电站的动态电压调节能力和故障穿越能力,减少占地的同时避免了谐波污染;另一方面,最大限度提高直流融冰设备的利用率,大大简化运行和维护操作,从而提高了装置的整体可靠性。结合全桥MMC的结构特点,提出了兼顾直流融冰和无功补偿功能的控制方法,并通过数字仿真验证了所提技术方案和控制方法的有效性。
直流电源模块 篇9
电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的集成电源供应器, 其作用是可为特殊应用集成电路 (ASIC) 、数字信号处理器 (DSP) 、微处理器、存储器、现场可编程门阵列 (FPGA) 及其他数字或模拟负载提供电源。一般来说, 这类模块称为负载点电源供应系统 (POL) 或使用点电源供应系统 (PUPS) 。由于模块式结构的优点甚多, 因此我所设计的CPU板、接口板、总线板等单板都广泛采用各种板载电源模块。
2 举例分析说明
2.1 某型机载电子设备问题 (CW7815稳压块问题) 及解决
前些年出现过一个问题, 在某机厂有架飞机某个设备的投放信号不工作, 技术人员检查飞机所有线路, 经多方面研究, 故障定位在一块印制板组装件上。经过进一步试验发现该故障板的CW7815稳压块发热量非常高, 工作几秒钟用手触其表面就感觉很烫手。把CW7815稳压块从印制板上焊接下之后, 将其放在较大的散热片上, 这时通电就一切正常。于是技术员也做了试验, 发现该批次稳压块有质量问题, 发热量较大通电后数秒就会因温度过高而烧坏, 更换质量较好的某个批次后CW7815就不再烧坏了。最后得出结论是电子设备元器件的批次问题, 最终把批次较好的元器件寄到总装厂, 将烧坏元器件拆卸下的更换成寄来的新元器件后就不再出现上述问题了。
虽然CW7815不再烧坏了, 但其表面的温度依然很高, 仍然有一定的安全隐患, 因此如何解决CW7815发热量大的问题成为了技术人员急需攻关的一个课题, 在相关技术人员探讨之下决定做个工艺实验来解决该问题。
通过增加散热器并点上导热胶后CW7815器件的表面温度会比没有采取任何措施的裸片低大约十几度至几十度不等, 环境越恶略就越能体现散热器的优越性, 例如对于批次为ES2009的器件, 虽然在没有散热器时单板工作下直接烧毁了, 但在安装散热器后却保证了CW7815在单板上正常的工作, 这是从前不加散热器时无法做到的。而对于批次为ES2012和ES2013的器件, 在增加散热器后不仅能保证单板正常工作还可以再带20Ω的负载。
CW7815器件增加散热器并点上导热胶能提高其可靠性, 原建议生产的ENG板都按工艺要求给CW7815安装散热器并点上导热胶。
直至最后, 经过设计人员查阅资料发现该器件选用的是工业档, 质量等级较低。最后, 选择并更换为CW7815MR (金属封装) 军工档, 问题迎刃而解。
2.2 某型计算机组件问题及解决
2.2.1 ADP3339电源模块问题及解决
计算机组件的CPU板有两个板载的电源模块ADP3339, 用来提供主CPU芯片Power PC的核心电压2.5V。
在最近调试产品的过程中, 在高温通电试验时调试CPU板时发现, 有时通电时间长CPU板会出现复位的现象, 开始怀疑了多处电路, 但经过多次试验却没有实际效果, 耽搁了许多时间, 影响了交付的进度。最后经工艺人员与设计人员反复查找原因和查阅器件手册, 发现是电源模块ADP3339的问题。原来由于该电路设计的问题使电源模块功率趋于临界值, 因此发热量较大。从器件的手册中得知该器件具有发热自保护功能, 当器件的温度过高时为保护自身不被烧毁, 就会停止输出以降低器件自身温度。这就解释了为什么CPU板在常温下工作问题较少, 而在高温工作环境下CPU板则会频繁复位。在高温工作环境下CPU板全速运行时电源模块发热量已经达到一个很高的数值, 这时器件为保护自身不被烧毁, 就会停止输出, 这样CPU板Power PC主芯片没有了核心电压, 这就导致了CPU板反复复位不能正常工作的现象。
最后, 通过为电源模块的再次选型, 将该电源模块更换为一个功率较大的器件后该问题得以解决。
2.2.2 LT1085电源模块问题及解决
计算机组件的CPU板有两个板载的电源模块LT1085, 分别提供Power PC的核心电压2.5V, I/O电压3.3V。
在某次调试过程中, 在常温调试CPU板时发现, 有时CPU板会发生反复复位的情况, 经过排查发现是由于CPU板上电源模块LT1085的问题所导致的, 用示波器测量LT1085的输出管脚发现输出不正常, 通过仔细观察发现是由于焊装原因造成LT1085接地管脚没有焊好, 造成电源2.5V输出不稳定或电压偏高从而导致CPU或其它器件不能正常工作, 因此造成了CPU复位的现象。目前通过电装工艺的规范化和落实, 已将该问题的发生率降至最低。
3 结语
综上所述, 针对以上的三个实例, 我们得出了三种分析考虑故障问题的方式:一, 板载电源若总有问题, 则可以考虑是否存在批次质量问题, 若是这种情况可以通过更换批次解决问题;二, 类似CPU控制板的电路板若存在复位问题, 可以先从CPU控制板主芯片的外围电路着手, 尤其是供电模块, 有时也可以从设计角度分析模块选型是否合理;三, 如果板载电源模块输出不正常, 不一定是器件损坏了, 可能是接地引脚没有焊好, 可用烙铁焊一下再测。
今后在电子装调生产、调试和排故时, 应对板载的电源模块给与足够的重视, 有些同志在排故时一上来总是先从信号上着手, 结果兜了一圈下来发现是板载电源模块的问题, 不仅走了弯路, 还耽搁了进度。希望通过该论文提醒大家对板载电源模块的重视, 不仅是在排故中重视, 在设计中、在工艺中都应重视, 以便今后做到早发现、早解决, 这样才能既保证生产进度又确保产品质量。
摘要：电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的集成电源供应器, 其作用是可为特殊应用集成电路 (ASIC) 、数字信号处理器 (DSP) 、微处理器、存储器、现场可编程门阵列 (FPGA) 及其他数字或模拟负载提供电源。由于模块式的结构优点甚多, 因此我所设计的CPU板、接口板、总线板等单板都广泛采用各种板载电源模块。在电装生产、调试和排故时, 应对板载的电源模块给与足够的重视, 以免有些同志在排故时一上来总是先从信号上着手, 结果兜了一圈下来发现是板载电源模块的问题, 不仅走了弯路, 还耽搁了进度。
模块电源并联常用均流方法及比较 篇10
1 输出阻抗法
输出阻抗法也叫电压调整率法,它是通过调节模块电源电路自身的输出阻抗来改变模块电源的输出电流,从而实现电流均等。
每个模块电源都具有一定的差异性,当模块电源输出电流变化量为ΔI时,模块电源的负载电压随之变化量为ΔU,则模块电源的输出阻抗R=ΔU/ΔI,R也是模块电源的电压调整率。
多个模块电源并联的系统中,负载电流IR=I1+I2+I3+…+In,当负载电压为Uo时,系统将按照每个模块的输出阻抗,来自动分配负载电流,模块之间的电压调整率不等,模块所分配到的电流也不同。模块的输出阻抗越大,电压调整率越大,分配到的负载电流也就越小;模块的输出阻抗越小,电压调整率越小,分配到的负载电流也就越大。输出阻抗法就是尽可能地调整各个模块电源的输出阻抗,缩小模块电源之间电压调整率的差异,从而达到均流的目的。
输出阻抗法是依据开环控制的均流方法,其缺点是在并联系统中,每个模块电源都要根据自身的输出阻抗单独调整,而且输出阻抗法针对小电流的均流特性比较差。同时,元器件的容差、老化和物理条件的改变等很多因素会导致电流分配的不均匀性。并联的模块电源系统在运用输出阻抗法实现了电路均流后,随着电源系统某个元器件的变化,电流分配又会变得不均匀。因此,使用输出阻抗法获得均流的系统电压调整率比较差。
2 主从控制均流法
主从控制均流法是在多个模块电源并联的系统中,将其中一个模块设置为主模块,其他模块都是从模块。所有从模块都以主模块的输出电压误差作为电流基准,跟随主模块分配各自的负载电流。因此,并联的模块电源系统中的主模块和若干个从模块,按照同一个电压值对电流进行调制时得到相同的结果,从而能得到相同的输出电流。
主从控制均流法的均流精度比较高,但是,系统各个模块电源之间的通信线路比较复杂。而且由于主模块是设置好的,系统十分依赖主模块,当主模块发生故障,整个系统也就会发生故障。因此,主从控制均流法并不适合对冗余性要求比较高的模块电源并联系统中。此外,系统很容易受到外界干扰,由于所有模块的均流都是按照一个误差电压值来调制的,系统受到干扰时会导致均流发生比较大的偏差。因此,采用主从控制均流法时,均流母线带宽要尽可能窄,同时也要保证各个模块之间的连接比较短。
3 最大电流自动均流法
最大电流自动均流法与主从控制均流法有相似点,只是最大自动均流法的主模块不是固定的,而是可以自主设定的,因此,它也被称为自动主从控制均流法。它是从所有并联的模块电源中,自动比较识别输出电流最大的模块电源,将其设置为主模块,其他模块为从模块。各个从模块电源根据自身与主模块电源的电压误差,校正输出电流。
最大电流自动均流法的控制电路原理图如图1所示。
图1中,Vr’是由基准控制电压Vr和均流控制电压Vc计算得出的,它与反馈电压Vf经过电压放大器放大后,得到电压误差Ve来控制PWM整流控制器。Vi为电流放大器的输出信号,它和模块电源所提供的负载电流成正比。Vi与均流母线电压Vb经过均流控制器得到均流控制电压Vc,从而控制负载电流。
由于图1中二极管是单方向导通的,电流只能从电流放大器的输出端流向均流母线,只有电流放大器输出电流比其他模块电源电流放大器输出电流都大的那个模块电源的二极管才能导通,均流母线与该模块电源均流控制电路中的a点相连。电流放大器输出电流与模块电源输出电流是成正比的,因此,均流母线电压Vb会跟随输出电流最大的模块电源的控制电路中的Vimax。
在多个模块电源并联的系统中,如果某个模块电源的输出电流超过其他模块电源的电流,电流放大器的输出值Vi会上升成为最大的,并且该模块二极管导通,连接均流母线。此时,这个模块自动成为主模块,其他模块为从模块,均流母线电压Vb等于Vimax,即该模块的电流放大器输出值为Vi。各个从模块的电流放大器输出值Vi与Vb比较,通过均流控制器调整均流控制电压Vc,从而得到电压误差Ve来控制PWM整流控制器,实现自动均流。
在使用最大电流自动均流法时,电流放大器输出电流与模块电源输出电流成正比,由于二极管是单向导通的,所有模块电源中,只有电流放大器输出电流最大的模块电源的二极管才会导通,这个模块电源就会成为系统的主模块。如果有一个新的模块电源的输出电流超过了主模块电源的输出电源,那么这个模块会成为新的主模块,原来的主模块会设置成从模块。各个模块电源通过比较输出电流的大小,调整放大器的基准控制电压,从而实现输出电流的均匀分配。
4 平均电流自动均流法
平均电流自动均流法的控制原理图与最大电流自动均流法比较相似,最大电流自动均流法使用二极管连接电流放大器与均流母线,而平均电流自动均流法则是使用电阻将电流放大器与均流母线相连接。
在平均电流自动均流法的控制电路中,并联的各个模块电源的电流放大器输出端与公用均流母线上中间都有一个电阻R,各个模块电源的负载电流通过各自的窄带电流放大器,得到与自身电流信号成正比的电压信号,并且经过电阻值相同的电阻R与均流母线相连。当电流放大器的输出电流为0时,电阻R两端的电压为0,各个模块就实现了均流。反之,如果电阻上有压降,则系统会通过控制电压误差放大器来控制输出电流,从而实现各个模块电源之间的均流。
平均电流自动均流法的均流精度比较高,但是,可靠性和冗余性却不是很好。如果均流母线短路,母线电压下降或者模块电源输出电流达到上限时,模块电源的输出电压下降,会导致模块电源系统发生故障。
5 热应力自动均流法
热应力自动均流法根据模块电源的输出电流和温度设置各个模块电源的输出电流。热应力自动均流法的回路带宽较窄,能够较好地屏蔽噪声。但是,使用热应力自动均流法时,系统中每个模块电源所处的外部环境有差异,导致均流精度不高。
6 外加均流控制器均流法
并联的模块电源系统由多个模块组成,可以为每一个模块电源加上一个外加均流控制器,检测各个模块电源的输出电流,从而比较发现各个模块电源之间电流不均衡的情况,并根据模块电源之间输出电流的差异产生一个反馈信号,来调节各个模块电源的输出电流,从而实现各个模块电源输出电流的均流。
如果并联系统中有一个模块电源发生故障,外加均流控制器会自动识别,并断开该模块电源与系统之间的联系,不影响系统其他模块电源的工作。剩余的模块电源能够自动实现均流,并且各个模块电源的电流不均衡度在5%以内。
外加均流控制器均流法的均流精度非常高,但是,每个模块电源都有一个独立的外加均流控制电路,这会导致整个分布式模块电源系统的拓扑结构会很复杂。并且这些控制电路要满足环路的总体要求,否则会降低整个模块电源并联系统的稳定性。
7 均流控制方案的比较及选择
前文介绍的六种常用的均流控制方法都有各自的特点,下面就简要分析这些均流方法的优点和缺点,并且找出最适合模块电源并联系统的均流方法。
输出阻抗法是一种最简单的可以实现模块电源并联系统均流的方法,它主要是依靠内部的输出阻抗或者外部的阻抗来实现各个模块间的输出电流均流。输出阻抗法的各个模块电源不需要控制总线,模块化特性比较好。但是,使用输出阻抗法实现均流时,电压调整率会下降,轻负载时电流的均衡分配特性比较差。如果各个模块电源的功率不同,则无法使用输出阻抗法实现均流,因此,输出阻抗法不适合应用在对均流精度要求比较高的模块电源并联系统中。
主从控制均流法的电路非常简单,均流精度很高也很容易实现,但是,各个模块电源之间的连线比较复杂,而且一旦主模块发生故障停止工作,系统无法很快自动设置一个新的主模块,系统的均流也会失败,因此,主从控制均流法不适合应用在对冗余性要求比较高的模块电源并联系统中。
最大电流自动均流法的均流精度很高,而且可以满足系统的冗余性要求,该方法通过调节给定电压来调节输出电流,在影响稳压精度的同时会造成系统输出电压的波动,因此,给定电压的调节范围通常被限制在某个范围内。系统中的主模块和从模块不断交替,导致各个模块电源的输出电流会存在低频振荡。当设置合理的参数时,低频振荡的影响并不大。在采用最大电流自动均流法的系统中,并联的各个模块电源通过均流母线连接,它们通过同一个电流基准值来调节自身的输出电流,从而实现系统中各个模块电源的输出电流的精确均衡分配。
平均电流自动均流法的均流精度比较高,并且很容易实现,但是在实际应用中,如果均流母线短路或者系统中某个模块电源出现故障,会导致均流母线的电压降低,可能使各个模块电源的输出电压下降甚至到达极限状态,导致整个系统崩溃。
热应力自动均流法受外界环境影响较大;外加均流控制器均流法的精度很高,但是,连线比较复杂,并且动态控制也比较复杂,使用这两种方法都会增加系统设计的难度。
8 结语
综上所述,最大电流自动均流法具有很高的均流精度,并且该方法可以满足系统的冗余性要求,因此,最大电流自动均流法相比其他五种均流控制方法,更加适合对分布式模块电源并联系统进行均流控制。
参考文献
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