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VICOR電源第二代DC-DC轉(zhuǎn)換器配件模塊-濾波/自動(dòng)調(diào)節(jié)整流模塊FARM
VICOR電源設(shè)計(jì)指南和應(yīng)用手冊(cè)-全型、小型和微型系列DC—DC轉(zhuǎn)換器及配件模塊
VICOR電源——廣州源博科技有限公司
VICOR濾波/自動(dòng)調(diào)節(jié)整流模塊FARM
VICOR濾波／自動(dòng)調(diào)節(jié)整流模塊(FARM)；是配套VICOR DC—DC轉(zhuǎn)換器的交流前端模塊。以FARM及VICOR DC—DC轉(zhuǎn)換器為核心元件，可以組成高性能的電源系統(tǒng)，并能滿足廣泛的應(yīng)用要求以及達(dá)到各項(xiàng)安全標(biāo)準(zhǔn)。除了瞬變、浪涌抑制和EMI濾波外，濾波和自動(dòng)調(diào)節(jié)整流模塊(FARM)內(nèi)還包含功率開(kāi)關(guān)和控制電路，令模塊可以自動(dòng)調(diào)節(jié)整流、限制涌流及提供過(guò)壓保護(hù)等功能。FARM可監(jiān)察供電情況，啟動(dòng)或關(guān)斷下端的DC—DC轉(zhuǎn)換器。組成有秩序的電源接通或關(guān)斷順序。利用FARM組成完整的交流前端，用戶只需加入保持電容和少量分立元件。
功能說(shuō)明
啟動(dòng)時(shí)的情況當(dāng)輸入電源接通時(shí)，限制浪涌電流的正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻的旁路開(kāi)關(guān)打開(kāi)，倍壓整流連接片(strap)在開(kāi)啟狀態(tài)。此外，轉(zhuǎn)換器模塊被使能(EN)線線關(guān)斷，母線正常信號(hào)(BOK)在高電平。
電源接通順序
1．1輸入電源接通后；接在輸出直流母線上的電容器開(kāi)始充電，熱敏電阻限制充電電流，充電時(shí)間常數(shù)由保持電容的容量和熱敏電阻的冷態(tài)電阻決定。當(dāng)電容兩端電壓達(dá)到輸入交流電源電壓的峰值時(shí)，電容電壓與時(shí)間的關(guān)系曲線的斜率(dv／dt)接近于零。當(dāng)電容兩端電壓曲線的斜率接近于零時(shí)，如果直流母線的電壓低于200 V，倍壓整流電路工作，因此直流母線電壓將按指數(shù)規(guī)律升高到交流輸入峰值電壓的兩倍。
2．1如果直流母線的電壓高于200 V，倍壓整流電路就不工作。
3．1電容兩端電壓曲線的斜率接近于零時(shí)，如果直流母線電壓高于235 V，浪涌限流熱敏電阻被旁路；如果直流母線電壓低于235 V，浪涌限流熱敏電阻不被開(kāi)關(guān)旁路。
4．1熱敏電阻旁路開(kāi)關(guān)閉合后，經(jīng)過(guò)～150 ms，轉(zhuǎn)換器模塊被使能開(kāi)始工作。
5．1再經(jīng)過(guò)～150 ms，母線正常信號(hào)(BOK)變?yōu)榈碗娖剑D(zhuǎn)換器模塊輸出電壓可維持在規(guī)格上標(biāo)明的范圍內(nèi)。
電源關(guān)斷順序
當(dāng)輸入電源被關(guān)斷或失效，由于直流母線電壓下降，將發(fā)生下述過(guò)程：
1．2當(dāng)直流母線電壓低于205 V時(shí)(典型)，母線正常信號(hào)變?yōu)楦唠娖健?/SPAN>
2．2當(dāng)直流母線電壓低于190 V時(shí)，轉(zhuǎn)換器模塊將關(guān) 斷。轉(zhuǎn)換器模塊關(guān)斷后，如果重新接通輸人電源，將重復(fù)電源接通順序。如果交流電源發(fā)生瞬時(shí)中斷，并且在直流母線電壓下降到關(guān)斷門限值以前，交流電源恢復(fù)供電，不會(huì)重復(fù)電源接通順序。換言之，電源就能過(guò)度瞬時(shí)中斷。在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)，FARM模塊可使直流輸出母線電壓保持在250 V到370 V之間。該輸出電壓范圍可與vicor電源全型、小型、微型300 V輸入DC—DC轉(zhuǎn)換器，和vicor電源Vl一26x系列及Vl一。]6x系列DC—DC轉(zhuǎn)換器模塊的輸入電壓范圍相配。FARM可根據(jù)交流輸入電壓自動(dòng)轉(zhuǎn)換為橋式整流或倍壓整流，從而可以有效地防止開(kāi)關(guān)電源因接入不適當(dāng)?shù)碾娫措妷憾鴵p壞。輸入電壓在90 Vac一132 Vac之間時(shí)，FARMlXXX額定功率為500 W，輸入電壓在180Vac一264 Vac之間時(shí)，FARMlXXX額定功率為750 W。輸入交流電壓在90 Vac一132 Vac之間時(shí)，FARM2xxx額定輸出功率為750 W，輸入交流電壓在1 80 Vac一264Vac之間時(shí)，FARM2xxx額定功率為1，000 W，只要最大功率不超過(guò)上述數(shù)值，這兩種交流前端模塊都可任意與一個(gè)或多個(gè)DC—DC轉(zhuǎn)換器模塊組成開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)。
連接片(ST)引腳 在實(shí)際應(yīng)用中，FARM模塊除了應(yīng)連接輸入和輸出引腳外，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)適應(yīng)輸入電壓范圍的變化還必須把ST引腳連接保持電容(C1，C2，參看圖8—3)的中結(jié)點(diǎn)。金屬氧化物壓敏電阻器V1和V2提供電容保護(hù)。電源關(guān)斷時(shí)，保持電容可通過(guò)泄放電阻R1和R2放電，(參看圖8—3)。假如保持電容距離FAf=：M輸出引腳超過(guò)75 mm時(shí)，建議使用電容C7和C8。
使能(EN)引腳 (圖8—4)使能(EN)引腳必須接到所有vicor電源DC—DC轉(zhuǎn)換器模塊的PC引腳或GATE lN引腳，以便剛接通電源時(shí)，FARM能暫時(shí)關(guān)斷DC—DC轉(zhuǎn)換器模塊，否則保持電容正通過(guò)限流熱敏電阻充電時(shí)，vicor電源轉(zhuǎn)換器模塊就可能開(kāi)始工作，因而無(wú)法使母線電壓達(dá)到熱敏電阻旁路門限電壓，結(jié)果是轉(zhuǎn)換器將無(wú)法正常起動(dòng)。使能(EN)引腳輸出(內(nèi)部N一渠道MOSFElT的漏極)電壓，在模塊內(nèi)部通過(guò)1 50 kQ電阻升到15 V。為了消除轉(zhuǎn)換器模塊之間可能產(chǎn)生的控制干擾，每只轉(zhuǎn)換器模塊的PC或GATE IN引腳都必須串人一只信號(hào)二極管，并且該二極管應(yīng)當(dāng)盡量靠近PC引腳。電源接通且浪涌電流消失后，使能(EN)引腳與負(fù)輸出引腳之間的電壓會(huì)上升到1 5 V，從而使各轉(zhuǎn)換器模塊開(kāi)始工作。如果直流母線電壓超過(guò)400 V，使能(EN)引腳電壓也可關(guān)斷DC—DC模塊，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器模塊輸入過(guò)壓保護(hù)。發(fā)生輸入過(guò)壓保護(hù)時(shí)，內(nèi)部熱敏電阻旁路開(kāi)關(guān)打開(kāi)，且與輸入電壓串聯(lián)，從而降低母線電壓到一個(gè)安全的水平，壓敏電阻同時(shí)又限制了輸入之電流。因發(fā)生故障或負(fù)載電流過(guò)大使直流母線電壓低于1 80 V時(shí)，熱敏電阻旁路開(kāi)關(guān)也將打開(kāi)作限流保護(hù)。
注意：FARM模塊的輸入和輸出并不隔離，FARM模塊的-Out引腳和下游的DO-DO轉(zhuǎn)換器的-In引腳都在高電平。如需要以控制DC-DC轉(zhuǎn)換器的PC或GATE lN引腳(參考-In)來(lái)提供外在接通，關(guān)斷功能，就要采用一個(gè)光耦隔離器或隔離繼電器。
圍8—3一離線式開(kāi)關(guān)電源配置VICOR母線正常信號(hào)IBOK)引腳(圖8—5)BOK引腳可提供電源中止提前警告信號(hào)，該引腳電壓也是以負(fù)輸出引腳為基準(zhǔn)。
注意：FARM模塊的輸入和輸出不隔離。如果母線正常信號(hào)用于轉(zhuǎn)換器模塊的次級(jí)(輸出端)，必須通過(guò)光電隔離器監(jiān)控。用示波器測(cè)試時(shí)，必須采用交流電源隔離變壓器。為了不損壞模塊，示波器的探頭地線決不能同時(shí)連接輸入和輸出端。
濾波器(圖8—6)內(nèi)置的輸入濾波電路包括共模電感，接在電源線與地線之間的Y一電容和接在兩條電源線之問(wèn)的X一電容，在100 kHz到30 MHz頻帶內(nèi)，該濾波電路具有足夠的共模和差模插入損耗。
保持電容 保持電容的容量決定于輸出母線電壓的紋波、電源中斷保持時(shí)間和過(guò)渡時(shí)間。(圖8—7)在許多實(shí)際應(yīng)用中，·都要求輸入電源出現(xiàn)規(guī)定時(shí)間內(nèi)的瞬時(shí)中斷時(shí)，電源設(shè)備必須維持輸出電壓，也就是說(shuō)，轉(zhuǎn)換器模塊必須維持不問(wèn)斷輸出電壓。同樣，在許多應(yīng)用系統(tǒng)中，為了有時(shí)問(wèn)按順序關(guān)斷轉(zhuǎn)換器模塊，還要求通知電源即將中斷。
電容充電電壓為V時(shí)，電容器中貯存的能量為：
￡=1／2(CV2)
式中：E=貯存的能量
C=電容器的容量
V=電容器兩端的電壓
輸入電源中斷后，轉(zhuǎn)換器模塊所需的能量是由電容器放電提供的。該能量(功率時(shí)間的乘積)可由下式表示：
￡=PAt=C(V1。一V2。)／2 (2)
式中：P=轉(zhuǎn)換器的功率
△t=電容器放電間隔
V1=△l起點(diǎn)電容器的電壓
V2=△t終點(diǎn)電容器的電壓
將(2)式重新整理后，可得出所需的電容：
C=2PAt／(V1。一V2。) (3)
電源失效預(yù)警時(shí)間(△t)是指電源中斷預(yù)警母線正常信號(hào)(BOK)到轉(zhuǎn)換器模塊關(guān)斷之間的時(shí)間，如圖8—7所示。母線正常信號(hào)(BOK)和使能門限值分別為205 V和1 90 V。將這些數(shù)值代入公式(3)中，可簡(jiǎn)化電源失效預(yù)警時(shí)間、功率和母線電容之間的關(guān)系：
C=2P&t：／(2052—1902)
C=2PAt／(5,925)
應(yīng)當(dāng)注意，如圖8—3所示，保持電容由C1和C2串聯(lián)組成，每只電容的容量應(yīng)為計(jì)算值的兩倍，但是每只電容所需的額定電壓可減少到200 V。直流母線上允許的紋波電壓(或紋波電流在電容器兩端產(chǎn)生的紋波電壓)，也可影響保持電容所需的電容量。還應(yīng)當(dāng)考慮給定轉(zhuǎn)換器的紋波抑制比和最終的輸出紋波電壓要求。例如，轉(zhuǎn)換器輸出電壓為15 V，額定輸入電壓為300 V時(shí)，紋波抑制比將為56 dB，即輸入紋波電壓10 V峰一峰值將產(chǎn)生輸出紋波電壓15 mV峰一峰值。(圖8—1 1)公式(3)仍然適合于計(jì)算保持電容所需的容量，在這種情況下，V1和V2分別為紋波電壓峰值和谷值處的母線電壓瞬時(shí)值(圖8—7)。在經(jīng)整流的市電電壓的兩個(gè)峰值之間的時(shí)間間隔△t內(nèi)，保持電容必須保持規(guī)定的母線電壓，△t可由下式給出：
△t=(丌一e)／2兀f (4)
式中：f=交流市電的頻率
e=整流器的導(dǎo)通角
(圖8—7)
近似的導(dǎo)通角可由下式給出：
e=COS一(V2／V1) (5)
選擇保持電容時(shí)，還應(yīng)當(dāng)考慮額定紋波電流，保持電容器的額定電流值必須大于最大工作紋波電流。近似的工作紋波電流(rms)由下式給出：
I rms=2P／、Jac
式中：P=總輸出功率
Vac=市電電壓
保持時(shí)間、過(guò)渡時(shí)間和要求的紋波電壓與母線電容容量的關(guān)系。
在該實(shí)例中，DC—DC轉(zhuǎn)換器模塊在負(fù)載端的輸出電壓為12 V，輸出功率為320 Wc，假設(shè)轉(zhuǎn)換器的效率為85％，FARM模塊的輸出功率應(yīng)為375 Wc，在90—264 Vac輸入電壓范圍內(nèi)，所需的保持時(shí)間為9 ms。決定電源失效預(yù)警時(shí)的電容容量給定電源失效預(yù)警時(shí)間和輸出功率時(shí)，可根據(jù)圖8—8決定保持電容的容量，可以看出，母線電容的總?cè)萘恐辽賾?yīng)為820 LJF，由于兩只電容串聯(lián)，所以每只電容的容量至少應(yīng)為1，640 uF。
注意：預(yù)警時(shí)間與輸入電壓無(wú)關(guān)。保持電容值計(jì)算器可圖8—6一內(nèi)置的濾波電路決定過(guò)渡時(shí)間如圖8—9所示，過(guò)渡時(shí)間是市電電壓和輸出功率的函數(shù)。從圖8—9可以看出，額定市電電壓為90 Vac時(shí)，過(guò)渡時(shí)間為68 ms，應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，過(guò)渡時(shí)間為市電電壓的函數(shù)。
決定保持電容兩端的紋波電壓如圖8—10所示，紋波電壓是輸出功率和母線電容的函數(shù)�？梢钥闯觯３蛛娙輧啥说募y波電壓為12 V峰一峰值。
決定DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出端的紋波電壓圖8—1 1用于決定DC—DC轉(zhuǎn)換器的紋波抑制比。可以看出，輸出電壓為12 V時(shí)，紋波抑制比約為60 dB。因?yàn)槟妇�電壓上的紋波為12 Vac且轉(zhuǎn)換器的紋波抑制比為60 dB，因此因輸入電源(初級(jí)1 20 Hz)紋波而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換器輸出紋波應(yīng)為1 2 mV峰一峰值。母線正常信號(hào)(BOK)隔離供電狀態(tài)指示器
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