普尔世 应用手记：工控电源的高效冗余

• 关键词：工控电源
• 摘要：PULS普尔世采用了以MOSFET管替代二极管的新技术，并在这新一代的冗余模块中增设了更多实用功能。

PULS普尔世采用了以MOSFET管替代二极管的新技术，并在这新一代的冗余模块中增设了更多实用功能。

冗余模块能够保证系统的可靠性，提高系统的可用性，即使在电源发生故障的情况下。然而，冗余模块中的解耦二极管以热量形式产生一定的功率损耗，而且可能导致相对较大的电压降。

因此，PULS普尔世采用了以MOSFET管替代二极管的新技术，并在这新一代的冗余模块中增设了更多实用功能。

并联连接两台或更多电源，彼此之间以解耦的冗余模块相连，可组建一个冗余系统。当电源的输出端发生了短路，冗余模块可防止母线电压短路。

为了实现该功能，需使用二极管或具有相似性能的解耦元器件。你或许可以为每台电源配一个二极管，但这种方案并不完美：解耦二极管产生极高的热量，从而导致功耗明显增加。

图片1：二极管与MOS管冗余模块(PULS YR80.241)在空载时的功耗比较

一个40A的负载将产生将近20W的功率损耗（如图1所示），这些功率损耗以热量的形式被发散到系统周围的环境里，温升对附近所有的电子元器件造成无形的压力，甚至有可能严重缩短它们的使用寿命。

普尔世工程师不愿对此妥协。为了找出用户对冗余系统的特殊需求，他们进行了一次调研。

从中可以总结出优化冗余系统的10项准则：

1.最高的安全性和可用性

2.最低的功率损耗

3.容易使用

4.负载端能够接受更高的反馈电压

5.具备短路保护

6.并联功能：负载平衡模式，对每台电源的工作时间和强度均匀分配

7.对系统中的电源输出故障报警信号

8.输入端反极性保护

9.输出报错信号

10.热插拔：插拔操作无需切断电压

分析以上准则，标准外延二极管或普通肖特基二极管已不能满足最小化空载功耗的需求。因此以MOSFET场效应管作为替代的解决方案应运而生。

该新技术有效降低了系统的功率损耗。如前文所述，一个40A的负载的功耗将从20W降低至3W。

然而“具备短路保护”和“输入端反极性保护”才是研发团队在研究MOSFET方案时遇到的最大的挑战。因为无论电源遇到短路还是反极性，都有可能损毁MOSFET。

针对于短路故障的MOSFET电路设计

当在负载端或线缆上发生短路，电源电压骤降，并且在冗余模块的输入端的电压不再可用。但是冗余模块中内置的MOSFET必须时刻保持激活状态，让短路电流以低功耗形式流通，否则，电流将被元器件中的体二极管吸收。相较于原二极管方案，这将产生15倍的高功耗，并损坏MOSFET。新的电路设计完美克服了该问题，不仅如此，还能够利用最小化的剩余电压来激活MOSFET（图2）.

图2：基于MOSFET技术的冗余模块电路设计图

该电路还能够在其它危急情况下被旁路，例如当电源被接通在一个正发生短路的电路，或者当输入电压发生反极性情况。

电压降仅50mV

将MOSFET作为解耦元器件，还可以显著降低电压降。标准冗余模块中的二极管可能在输入端和输出端之间导致高达500mV的电压降。但是如果是采用了MOSFET的新型冗余模块，这种情形将得以有效的改善。例如普尔世冗余模块YR80.241，在为40A负载供电时，其输入端与输出端之间的电压降仅不到50mV。

并联功能实现负载均衡

改进后的MOSFET冗余模块方案，甚至能够使并联模式达到更理想的热均衡效果，从而能够进一步延长产品的使用寿命。在此过程中，每台电源之间的负载电流被均衡地分配。

有两种方法可以实现系统中的并联功能：直接在电源本身集成并联模式，或者将其集成在冗余模块中。前者，即在电源的集成中，输出电压会被调整为：空载时比额定带载时高出约4%。因此，只要设备间的空载电压是相同的，电流就会自动分布。如果一台电源承担了更多的电流，它的电压就会自动降低，电流均衡得以保持。这样的特性保证了在电流的分布上不存在功率损耗。后者，即在冗余模块中集成并联模式，MOSFET是以串联形式连接的。为了实现两通道（即两台电源）之间的电流均衡，它们将在通道的较高电压下产生适当的电压降。该方法也可以使没有集成并联模式的电源作并联使用。

普尔世工程师针对以上两种方法做了优化。并联模式最重要的一点是始终支持冗余系统安全、稳定、高效的工作，无论是经典的1+1冗余系统，还是N+1冗余系统。

热插拔：在无需断电的情况下更换电源

在普尔世冗余模块YR20.245中，还附加了一项创新技术：热插拔。这也是首次出现在冗余模块上的热插拔功能。“热插拔”功能是指当系统正在工作时，更换一台电源或者一个冗余模块。要实现热插拔，就需要关键连接处的端子具有防短路功能。更换故障设备时，只要按照既定顺序操作，即可顺利完成更换，无需切断电源。而且，当更换完成，系统的冗余备份功能也能够立即生效。这对于某些系统来说是非常重要功能，例如，在某些应用场合，即使是稍纵即逝的错误或故障，就足以威胁到人身安全或导致严重经济损失，这样的情况下，热插拔功能不可或缺。

带防短路功能的连接端子

关于普尔世

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