發布日期：2022-10-09 點擊率：89
一旦故障發生在工作的24V直流電源上，隨之產生的后果可能是毀滅性的。因此在例如控制、測量之類“安全第一”的應用場合，冗余系統就顯得至關重要了。所謂冗余系統，是指并聯連接的兩臺電源，其中每臺電源都能夠獨立為整個系統供電。PULS普爾世工控電源有著豐富的標準品電源產品線，能夠靈活組建各種冗余系統，其久經市場驗證的標準產品能夠確保系統安全、可靠地運行;另一方面，由于采用了創新的技術，普爾世也從根本上將冗余系統的轉換效率提升到了一個新的高度。
圖1 采用MOSFET技術的全新冗余模塊構建的冗余系統
當標準電源之間進行冗余切換時，在傳統的冗余系統中，電源的輸出端必須安裝二極管，這樣做是為了防止冗余系統中一臺電源的電流反饋到另一臺電源的輸出端，確保解耦。但是二極管解耦也有不完美的地方，那就是在兩個二極管中會產生相當可觀的功率損耗。一個20A負載的冗余系統中，每個二極管上發生的能量損耗大約為10W，而這種情況下就不得不借助大型散熱片來緩解系統發熱的問題。
在冗余系統方面的改善，可總結出包含以下十點的愿望清單：
1) 安全運行
2) 降低損耗
3) 簡化操作
4) 忍受負載反饋能量
5) 短路保護能力
6) 電流均衡分配
7) 電源故障信號
8) 輸入極性反接保護
9) 報錯
10)熱插拔
設備間的解耦
目前常用的冗余模塊中使用的外延二極管或!@#$%^&*基二極管會造成0.6到0.8伏的電壓降，這就導致了在高負載電流的情況下，冗余系統在電柜中會產生大量熱量，這些熱量必須由電柜中的通風系統發散出去。PULS普爾世工控電源就前文所述的改善冗余系統的愿望清單進行了深入的研究。可以明確的是，只有采用全新的技術，徹底“升級”目前冗余模塊的解耦功能，才能夠從根本上實現“降低損耗”。這項全新的技術就是MOSFET技術。采用了 MOSFET技術的冗余模塊系列提供最大電流達到80A的產品，這些產品都能夠滿足低功耗的重要標準。而且很顯然，新的冗余模塊也同時滿足愿望清單上的其余9條。圖2比較了解耦二極管與MOSFET管在冗余系統中的功耗。當負載電流達到40A時，采用了MOSFET技術的冗余模塊僅產生3W的功耗。超低功耗使得設計一款寬度僅36毫米的緊湊型DIN導軌式冗余模塊不再是問題。用戶只需要把兩臺電源的輸出端接入冗余模塊的輸入端，就能夠從冗余模塊的輸出端得到安全的電源供給。
圖2 左：冗余模塊解耦功能示意圖;右：冗余模塊YR80.241輸出電流-功耗曲線
棘手難題——短路
到這里，熟悉電路的讀者一定會說，MOSFET也沒什么大不了的吧。確實，如果只考慮正常運行的話，它不過是個普通的元器件。不過當發生短路，或者甚至當發生冗余電源電極逆轉時，情況可就沒這么簡單了。當負載短路，電源電壓驟降，冗余模塊的輸入端幾乎得不到任何有用的電壓。然而如果冗余模塊中的MOSFET 管沒有被激活，就不能令短路電流以低損耗流過，當這個電流流過MOSFET管中的寄生二極管時，產生的功耗是原來的15倍，從而摧毀MOSFET管。為此，普爾世進行了針對性的研究，改進了電路。在新的電路中，即使是微量的殘余電壓也能正確激活MOSFET管。當一些更加危急的情況發生，比如電源接入已經發生短路的電路，或者輸入電壓被施加反極性，新的電路也有能力應對這些極端的險情。
緊湊的組合
普爾世一直在致力開發體積更小的電源及模塊。直到不久前，還能找到某廠家的單臺40A電源在DIN導軌上占用的空間比今天的整個普爾世冗余系統所占空間還大的，而該普爾世冗余系統由兩臺普爾世三相40A電源和一臺YR80.241冗余模塊組成，總共僅需266毫米的導軌寬度。
單相電源適用于單相的應用場合。但這里需要注意的是，兩臺電源的輸入是連接到兩個不同相位上的。
均衡的電流分布
如果一臺或多臺電源必須要并聯工作，那么改善的熱平衡功能將是一個優點，而且如果負載電流平均地從每臺電源流出，能夠延長電源的使用壽命。
大多數新的普爾世工控電源都具有“并聯使用”模式，可適用于上述的應用環境。在該模式下，輸出電壓被重新設定，使其在空載狀態下比額定負載狀態下高4%。因此，電源間的電流自動均衡，可提供相等的電源空載電壓。當較多的電流流過一臺電源，那么它的電壓會自動降低，同時電流恢復均衡。有了這樣的功能，均衡分布的電流能夠始終保持功率損耗在最低水平，符合我們對冗余系統的期望。
目前市場上某些廠家的冗余模塊內集成了電流均衡分布功能，其中的MOSFET管會應需要隨著電流的變化而發生輕微的線性變化，改變相應的電壓，從而實現電流的平衡分配。這種方式也稱作自動式均流。但自動式均流存在一些問題。首先，實現自動式均流需要在冗余模塊的輸入端集成兩個可調電阻，增加了電路的復雜度，同時也會造成不容忽視的壓降和功耗;其次，一旦發生短路，短路大電流流經冗余模塊內的寄生二極管，會造成更大的功率損耗;再次，難以構建N+1冗余系統或輸出達到 20A以上的冗余系統。
而普爾世將并聯均流功能集成在電源內是更好的解決方法。這樣，功率損耗和發熱量問題從根本上得以改善，從而延長了電源的使用壽命。有了普爾世電源的“并聯模式”的支持，冗余系統的安全性和可靠性得到了保障，同時，經典的1+1冗余系統也可根據需求靈活擴展為N+1冗余系統。
熱插拔
普爾世YR40.245是一種特殊的冗余模塊，這也是普爾世專門針對熱插拔功能而設計的首款產品。熱插拔允許用戶在不關閉系統，不切斷電源的情況下更換一臺電源或一個冗余模塊。為了這個目的，關鍵連接都配有防短路插頭。在插拔時，如果連接是根據指定的順序進行的，則無需切斷電源就可以更換故障的模塊。這對于系統的高可用性是必不可少的。
圖3 多款普爾世MOSFET冗余模塊可供選擇
結語
冗余電源系統對于要求高可靠性、高安全性的設備和裝置有著重要的意義。普爾世標準冗余模塊系列中，除了上文中介紹過的經典的24V冗余模塊、允許熱插拔功能的特殊冗余模塊外，還有額定輸出范圍在40 ~ 80A / 12 ~ 60V的多款MOSFET冗余模塊可供選擇;而當輸出電流不超過40A時，二極管的功耗與MOSFET差別不大，因此普爾世也在額定輸出電流在10 ~ 40A內提供Diode冗余模塊，以滿足更多應用需求。基于模塊化理論，采用普爾世冗余模塊，非冗余系統也能便捷地改裝為冗余系統，而改裝的過程無需重新考慮復雜的熱設計。
圖4 普爾世MOSFET冗余模塊選型參考
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