• 關(guān)鍵詞： 直流源 AC電源 開關(guān)電源
• 摘要：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)備以及建筑自動化系統(tǒng)等提供電能的重要技術(shù)，已日趨成熟。開關(guān)電源似乎可以應(yīng)對現(xiàn)存的一切交流電壓。而在某些情況下，電源的供給是直流電而非交流電。對此，有些人認(rèn)為沒問題，也有人認(rèn)為這是個敏感問題。

關(guān)于使用直流源的AC電源的安全問題

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)備以及建筑自動化系統(tǒng)等提供電能的重要技術(shù)，已日趨成熟。開關(guān)電源似乎可以應(yīng)對現(xiàn)存的一切交流電壓。而在某些情況下，電源的供給是直流電而非交流電。對此，有些人認(rèn)為沒問題，也有人認(rèn)為這是個敏感問題。

圖1: 以直流電供給AC電源。PULS普爾世DC/DC轉(zhuǎn)換器和帶DC輸入版本電源產(chǎn)品可以應(yīng)對高能直流電輸入，即使是在電路發(fā)生故障的情況下。

從工業(yè)領(lǐng)域到建筑工程，簡單易用的開關(guān)模式電源非常常見。直流電壓隨后被緩沖至電池，成為隨時可用的安全電力供給。事實如此簡單嗎？

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)的還是未調(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。

濾波器的開關(guān)電源原理圖" border="0" height="255" hspace="0" vspace="0" width="500">

圖2: 無輸入濾波器的開關(guān)電源原理圖

在思考開關(guān)電源的輸入電路原理時，首先注意到的就是整流器。如果輸入不是交流電，而是直流電，將會發(fā)生什么？假設(shè)所有模塊都能“準(zhǔn)確”運行，那么幾乎所有開關(guān)電源都可以直流電或者交流電輸入。然而，當(dāng)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危險得多。

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直流源電壓

為什么實際為交流輸入電壓設(shè)計的電源要被用在直流源環(huán)境下？舉例來說，存在以下應(yīng)用場景：

1.當(dāng)使用多個變頻器(FC)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，這將帶來一個極大的優(yōu)勢（圖3）：當(dāng)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)及UPS供電的情況下使電源和控制器安全有序地進入停機狀態(tài)。

2.當(dāng)使用了冗余電源系統(tǒng)時，其中一臺電源由高壓電網(wǎng)供電，另一臺由電池供電（圖4），這兩臺電源并聯(lián)連接，不間斷地向負載供電。

3.始終由220VDC電池或其它直流源供電的系統(tǒng)。

 

圖3: 無輸入濾波器的開關(guān)電源原理圖

總線供電的" border="0" height="200" hspace="0" vspace="0" width="500">

圖4: 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。

在上述的所有情況下，直流源都能夠提供大電流。一旦發(fā)生故障，必須安全切斷短路電流或過載電流。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，換在直流電壓環(huán)境下，可能遇到重大的挑戰(zhàn)。

問題在哪里？

重申：“通常情況”不是問題。但是仔細規(guī)劃不放過任一可能性的技術(shù)人員眼中總能發(fā)現(xiàn)例外情況。這不代表對“通常情況”的保險，而是“意外險”。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。

在變頻器中間直流總線下工作：

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。

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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。那么問題來了：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。例如，通過熔絲上的電流達額定電流的3倍。在這種類型的故障下，不適用于直流電的熔絲不能被可靠熔斷，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(rèn)證的輸入保險絲，在高直流電壓輸入時自燃

有趣的事實還在于，對于直流電壓來說，電流越大，保險絲的熔斷表現(xiàn)就越關(guān)鍵。普通的集成式保險絲只能用在不超過4A額定的交/直流輸入環(huán)境下。若電流更大，150VDC以上的直流運行是不允許的。輸入為230VAC時，整流后的電壓已在320VDC左右，三相應(yīng)用的變頻器中間電路電壓在360至900VDC之間，具體取決于源電壓。

該問題已被重視。在當(dāng)前的UL安規(guī)文檔（實際應(yīng)用指導(dǎo)手冊）中已經(jīng)精確描述了能夠使用DC電壓輸入的電源的定義。其所使用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)境就會產(chǎn)生危險的高溫。

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視頻：當(dāng)不恰當(dāng)?shù)腁C保險絲工作在超過300VDC, 15A電路環(huán)境下，將會發(fā)生什么？

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兩點：

配備合適的輸入濾波器，能夠過濾對地的高共模電壓；

安裝的熔斷保險絲必須具備UL和IEC安規(guī)認(rèn)證.

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，這其中也包括經(jīng)驗證的允許直流輸入的可靠電源產(chǎn)品。這些電源無論是在電氣間隙及爬電距離的設(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(biāo)準(zhǔn)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(yán)謹(jǐn)。因為人的生命和設(shè)備的安全應(yīng)當(dāng)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。然而甚至一些信譽良好的公司有時設(shè)計的產(chǎn)品也不能完全承受標(biāo)準(zhǔn)的壓力測試。普爾世電源通過了獨立檢驗機構(gòu)的安規(guī)認(rèn)證，即使是在做用戶系統(tǒng)的整體安規(guī)認(rèn)證時也不會發(fā)生任何不愉快的意外。