電壓降僅為50mV的MOSFET冗余模塊YR80.241

1前言

24V直流電源電壓的故障通常意味著(zhù)重大的安全隱患或經(jīng)濟損失。全天候可靠、不間斷地供應24V電源也就變得越來(lái)越重要，尤其是隨著(zhù)電力系統越來(lái)越智能化，過(guò)程越來(lái)越復雜、高效。它不僅適用于工業(yè)體系，也適用于很多其他領(lǐng)域。

在電信行業(yè)，過(guò)程工業(yè)和發(fā)電廠(chǎng)基站等領(lǐng)域中，冗余電源系統是當前最常見(jiàn)的應用。在諸如交通控制系統、隧道監視和門(mén)禁系統等領(lǐng)域，冗余工作方式越來(lái)越普遍，越來(lái)越重要。普爾世（PULS）已開(kāi)發(fā)出了兩種新型冗余模塊，用于該領(lǐng)域的大功率應用。和標準24V電源一起可以構建大功率冗余系統。如圖1所示。

圖1普爾世冗余模塊

2冗余技術(shù)現狀

借助于低損耗的金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）技術(shù)，普爾世第一次實(shí)現了只需要一個(gè)冗余模塊就可以構建40A冗余系統的目標。在這個(gè)功率范圍內的各個(gè)電源不再需要兩個(gè)單獨的模塊。

在最簡(jiǎn)單的方案中，冗余意味著(zhù)兩個(gè)電源并聯(lián)，每個(gè)電源可以獨自供應負載。這種方案稱(chēng)為1+1冗余。如圖2所示。

更高輸出的電流采用N+1冗余系統。在120A負載電流的實(shí)例中，4個(gè)40A的裝置以冗余模式運行。如果其中一個(gè)裝置出現故障，其余三個(gè)電源可以繼續、安全的提供120A電流。

圖240A1+1冗余系統

3普爾世冗余模塊的技術(shù)特點(diǎn)

通常情況下，冗余供電系統為單個(gè)電源的并聯(lián)使用。由于標準電源的輸出端口通常沒(méi)有去耦二極管，這些裝置必須使用冗余模塊連接起來(lái)。這也就意味著(zhù)即使在電源輸出級短路或缺陷的情況下，系統仍保持冗余狀態(tài)。

冗余系統要求監視各個(gè)獨立電源的功能，確保盡早檢測到故障，啟動(dòng)維護程序。為此，可使用電源的DC-OK信號。

3.1電壓降僅為50mV[1]的“去耦二極管”

標準冗余模塊中的外延二極管或肖特基二極管會(huì )在輸入和輸出之間引起（500~800）mV[2]電壓降。根據負載電路的不同，功率損耗可能會(huì )很高，并導致發(fā)熱問(wèn)題。在新型的YR40.241（40A）和YR80.241（80A）冗余模塊中，已經(jīng)首次將傳統的二極管換成了MOSFET。乍看這樣更換并非什么重大的突破，因為類(lèi)似這樣的“同步整流法”已經(jīng)普遍應用于各種電源輸出級。安裝了外部冗余模塊之后，還需要考慮意外的工作狀況，諸如短路、極性反接或負載反饋，這些問(wèn)題一點(diǎn)也不容易解決。

如果負載或電纜敷設時(shí)出現短路，電源電壓降出現故障，導致在冗余模塊上實(shí)際并無(wú)可用電壓。然而，冗余模塊中的MOSFET必需保持供電狀態(tài)，使得短路電流的功率損耗更低。如果MOSFET的電源故障，整個(gè)電流會(huì )另外流經(jīng)MOSFET的“體二極管”，導致MOSFET的功率損耗升高15倍左右。為避免出現這種情況，使用了獲得專(zhuān)利權的電路，以便從最低的剩余電壓中產(chǎn)生適當的電源電壓。這種方法在接通電源時(shí)出現短路現象、或者輸入電壓反接的情形下尤其重要。新的電路也允許出現這些情形。

MOSFET冗余模塊的優(yōu)點(diǎn)不言而喻。MOSFET的導通電阻較低，使得電壓降遠遠低于使用二極管時(shí)的電壓降。輸出電流為40A時(shí)，YR80.241輸入端和輸出端的差異僅為50mV。如圖3所示。使用傳統的二極管模塊時(shí)，電壓降至少為500mV。同樣，二極管的功率消耗至少升高10倍，并且需要大型散熱器進(jìn)行冷卻。如圖4所示。MOSFET冗余模塊YR80.241在輸出電流為40A時(shí)，功率損耗僅為2.7W。這不僅包括MOSFET的功率損耗，也包括終端、內部線(xiàn)路和所需電路的功率損耗。不需要散熱器。

圖4冗余模塊的功率損耗曲線(xiàn)

3.2不帶散熱器的80AMOSFET冗余模塊

YR80.241冗余模塊含有兩個(gè)40A輸入端和一個(gè)80A輸出端，短期內可超載160%。這就使得輸出電流達到40A的電源1+1或N+1冗余系統僅使用一個(gè)冗余模塊。由于功率損耗較低，內部無(wú)需安裝散熱器，并且裝置的寬度可以限制到46mm。如圖5所示。該模塊可防止短路、避免極性反接，在-40℃和+70℃之間可實(shí)現全功率運行。諸如制動(dòng)電機之類(lèi)的反饋型負載最高電壓甚至允許達到40Vdc。為適于全球使用，我們正在計劃一種綜合的國際認證包，除了很多安全認證之外，還包括ATEX（防爆指令）認證。

對于小一些的輸出電流，YR40.241冗余模塊的最高輸出電流為40A，寬度限制在36mm。

圖6冗余系統外觀(guān)尺寸

同理，使用YR40.241冗余模塊和20A電源實(shí)現了20A冗余系統的設計。
除了這兩個(gè)高電流冗余模塊之外，普爾世還提供了帶二極管的冗余模塊，適用于較小和中等輸出電路。這些模塊可具備或不具備綜合監控功能。監控器可識別低于固定閾值的電源的輸出電壓，并適時(shí)打開(kāi)信號接點(diǎn)。如果電源本身沒(méi)有DC-OK信號，這種功能就顯得至關(guān)重要。

4總結

由于采用MOSFET新技術(shù)，冗余模塊的功率損耗進(jìn)一步降低，實(shí)現了40A的1+1冗余也只需要一個(gè)冗余模塊就能實(shí)現，極大節省了設計成本，降低了功率損耗，在當今以環(huán)保為理念的產(chǎn)品設計中，該技術(shù)必將大放異彩，得到廣泛的應用。

普爾世擁有豐富的產(chǎn)品，通常不需要定制復雜的解決方案，工程師完全可以放心使用設計上乘的、經(jīng)過(guò)全面測試的標準產(chǎn)品。

在設計冗余系統的時(shí)候，推薦的可靠冗余操作方法如下。

⑴每個(gè)電源使用單獨的輸入保險絲。

⑵如有可能，將電源連接到不同的相位或主電路上。

⑶使用三相電源，其中一個(gè)相位故障時(shí)，確保功能安全。

⑷一定要使用冗余模塊或去耦二極管。

⑸所有電源必須單獨監控。如出現故障，需盡早檢測，立即矯正。為此，可使用電源的DC-OK信號。

⑹盡量均勻設置輸出電壓。如裝置帶有“并聯(lián)使用”功能，將其設為“并聯(lián)使用”模式。

圖5YR80.241外觀(guān)

3.3強大的產(chǎn)品系列——QT40.241和YR80.241

直到最近，單個(gè)40A電源在DIN-rail上所需的空間超過(guò)全冗余系統所需的空間。全冗余系統包括兩個(gè)三相40A電源（QT40.241）和一個(gè)YR80.241冗余模塊。此處266mm的寬度就足夠了。在單相系統中可以使用QS40.241電源。這就使得總寬度達到296mm。如圖6所示。較高的部分負載效率和新型的40A電源的“并聯(lián)使用”模式尤其具有優(yōu)勢。這種模式確保單個(gè)電源的負載電流保持唯一，這樣有利于整個(gè)系統的可靠性和使用壽命。集成輸入保險絲、主動(dòng)功率因數校正（PFC）、寬廣的溫度范圍以及較高的功率和電流儲備（4秒60A），只不過(guò)是新型QT40和QS40電源的眾多創(chuàng )新特征中的幾個(gè)。集成DC-OK信號監控電源功能，確保盡早檢測到故障，啟動(dòng)維護程序。

圖3YR80.241電壓降VON與輸出電流IT的關(guān)系