- 工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合的特殊性使得工業(yè)電源需要滿足更苛刻要求
- 如何綜合考慮多方面因素,更好地把握工業(yè)電源的設(shè)計(jì)
- 超級(jí)電容在工業(yè)電源方面的妙用
- 工業(yè)電源的可靠性設(shè)計(jì)
工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合中使用的電源系統(tǒng)有明顯的特點(diǎn):在這些系統(tǒng)中,為了滿足空間的需求,常常需要使用功率密度較高的電源;有些工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合例如采礦業(yè)常常面臨惡劣的操作環(huán)境,一旦出現(xiàn)電源故障,維護(hù)起來就十分艱難,這對(duì)電源系統(tǒng)的安全性、可靠性和耐用性提出了更高的要求;在用電設(shè)備眾多的工業(yè)環(huán)境中,為了克服設(shè)備間的干擾,電源還必須有很強(qiáng)的抗干擾和電磁兼容能力……
總之,在工業(yè)場(chǎng)合,電源系統(tǒng)在各方面都有更高的需求,而這樣的需求正在通過不斷進(jìn)步的技術(shù)和完善的電源模塊設(shè)計(jì)越來越好地被滿足。例如,越來越多的工業(yè)模塊電源正向器件發(fā)展。隨著模塊工業(yè)電源集成化和一致性設(shè)計(jì)的推進(jìn),模塊的應(yīng)用也日趨標(biāo)準(zhǔn)化,應(yīng)用電路越來越簡(jiǎn)單,選型也變得相對(duì)容易。各模塊工業(yè)電源廠商已經(jīng)開始進(jìn)行器件和電路的整合來盡量降低成本,提高競(jìng)爭(zhēng)力。
本期專題,我們就將焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)工業(yè)電源的應(yīng)用設(shè)計(jì)和趨勢(shì),看看應(yīng)該如何綜合考慮多方面因素,更好地把握工業(yè)電源的設(shè)計(jì)。
超級(jí)電容正在越來越多地用于工業(yè)電源系統(tǒng)
超級(jí)電容在工業(yè)電源系統(tǒng)中的使用越來越多。它的功率密度表現(xiàn)非常突出,還具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、功率密度大、充放電速度快、高溫性能好、容量配置靈活、環(huán)境友好免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。但目前單體電容器電壓偏低,僅為1~3V,故必須采用多個(gè)電容器串并聯(lián),構(gòu)成超級(jí)電容器儲(chǔ)能組以滿足電壓能量的等級(jí)要求。
超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)原理圖如下。當(dāng)向電極充電時(shí),處于理想極化電極狀態(tài)的電極表面電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子,使這些離子附于電極表面上形成雙電荷層,構(gòu)成雙電層電容。由于兩電荷層的距離非常?。ㄒ话?0.5mm 以下),再加之采用特殊電極結(jié)構(gòu),使電極表面積成萬倍的增加,從而產(chǎn)生極大的電容量。
圖1:超級(jí)電容儲(chǔ)能原理圖
超級(jí)電容在工業(yè)方面的兩個(gè)典型應(yīng)用包括:
1)可再生能源發(fā)電系統(tǒng)/分布式電力系統(tǒng)
在可再生能源發(fā)電或分布式電力系統(tǒng)中,發(fā)電設(shè)備的輸出功率具有不穩(wěn)定性和不可預(yù)測(cè)性的特點(diǎn)。采用超級(jí)電容器儲(chǔ)能,可以充分發(fā)揮其功率密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、儲(chǔ)能密度高、無需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),既可以單獨(dú)儲(chǔ)能,也可以與其他儲(chǔ)能裝置混合儲(chǔ)能。超級(jí)電容器與太陽能電池相結(jié)合,可以應(yīng)用于路燈、交通警示牌、交通標(biāo)志燈等。超級(jí)電容器還應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、燃料電池等分布式發(fā)電系統(tǒng),可以對(duì)系統(tǒng)起到瞬間功率補(bǔ)償?shù)淖饔?,并可以在發(fā)電中斷時(shí)作為備用電源,以提高供電的穩(wěn)定性和可靠性。
2)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能量緩沖器
超級(jí)電容器與功率變換器構(gòu)成能量的緩沖器,可以用于電梯等變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)電梯上升時(shí),能量緩沖器向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的直流母線供電,提供電機(jī)所需的峰值功率;在電梯減速下降過程中,吸收電機(jī)通過變頻器向直流母線回饋能量。
在太陽能LED路燈系統(tǒng)中,超級(jí)電容就充當(dāng)了重要的一部分。由光伏電池陣列、光伏控制器、超級(jí)電容、充電控制器、蓄電池、電流變換器、LED負(fù)載組成,連接結(jié)構(gòu)如下圖所示。超級(jí)電容跨接在直流母線和地線之間,用于保持直流母線的電壓,并緩沖光伏電池提供的過大能量,在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候放電以滿足蓄電池的充電需要和負(fù)載的供電需要。
圖2:應(yīng)用了超級(jí)電容的太陽能LED路燈系統(tǒng)
另一個(gè)應(yīng)用實(shí)例就是智能水表。傳統(tǒng)的智能水表在控制水閥開啟和關(guān)斷時(shí),普遍采用的方法是內(nèi)裝鋰電池。鋰電池的優(yōu)點(diǎn)在于重量輕、能量大、自放電率低等。雖然如此,由于智能水表都沒有設(shè)計(jì)再充電電路,鋰電池使用到一定時(shí)間后,將無法為控制電路提供能量,不得不更換電池。上門為用戶更換電池或水表,這對(duì)于水表生產(chǎn)廠家和自來水公司來說都是一件繁瑣的事。更危險(xiǎn)的是,電池電量不足的情況出現(xiàn)是隨機(jī)的,如果不精確和及時(shí)的監(jiān)測(cè)電池電量,將無法可靠的關(guān)斷水閥,造成無法計(jì)費(fèi)、逃水現(xiàn)象等情況出現(xiàn)。為了解決這一制約智能水表發(fā)展的瓶頸問題,已有不少廠家嘗試一種全新的方案,那就是用超級(jí)電容代替鋰電池應(yīng)用于智能水表。超級(jí)電容是近幾年才批量生產(chǎn)的一種無源器件,介于電池與普通電容之間,具有電容的大電流快速充放電特性,同時(shí)也有電池的儲(chǔ)能特性,并且重復(fù)使用壽命長(zhǎng),放電時(shí)利用移動(dòng)導(dǎo)體間的電子(而不依靠化學(xué)反應(yīng))釋放電流從而為設(shè)備提供電源。
延伸閱讀:
超級(jí)電容在太陽能路燈設(shè)計(jì)中的應(yīng)用:http://m.bswap.cn/art/artinfo/id/80011588
超級(jí)電容在智能水表中的應(yīng)用方案:http://m.bswap.cn/art/artinfo/id/80014256
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工業(yè)電源的可靠性設(shè)計(jì)
元器件直接決定了電源的可靠性,為剔除不符合使用要求的元器件,包括電參數(shù)不合格、密封性能不合格、外觀不合格、穩(wěn)定性差、早期失效等,應(yīng)進(jìn)行篩選試驗(yàn),這是一種非破壞性試驗(yàn)。通過篩選可使元器件失效率降低1~2個(gè)數(shù)量級(jí),當(dāng)然篩選試驗(yàn)代價(jià)(時(shí)間與費(fèi)用)很大,但綜合維修、后勤保障、整架聯(lián)試等還是合算的,研制周期也不會(huì)延長(zhǎng)。電源設(shè)備主要元器件的篩選試驗(yàn)一般要求包括:電阻在室溫下按技術(shù)條件進(jìn)行100%測(cè)試,剔除不合格品;普通電容器在室溫下按技術(shù)條件進(jìn)行100%測(cè)試,剔除不合格品;接插件按技術(shù)條件抽樣檢測(cè)各種參數(shù)。
在設(shè)計(jì)方面也要注意,開關(guān)管選用MOSFET能簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路,減少損耗;輸出整流管盡量采用具有軟恢復(fù)特性的二極管;應(yīng)選擇金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件.禁止選用塑料封裝的器件;設(shè)計(jì)時(shí)盡量少用繼電器,確有必要時(shí)應(yīng)選用接觸良好的密封繼電器;吸收電容器與開關(guān)管和輸出整流管的距離應(yīng)當(dāng)很近,因流過高頻電流,故易升溫,所以要求這些電容器具有高頻低損耗和耐高溫的特性。
經(jīng)常被人忽略的還有是印刷電路板的可靠性問題。照目前的趨勢(shì)看,印刷電路板的面積越縮越小,但需要處理的電流量則越來越大,因此電流密度的增加可能會(huì)引致隱蔽式或其他通孔無法執(zhí)行正常功能。
當(dāng)然為了保證可靠性,必須要考慮到保護(hù)電路。下面是一種較為完善的保護(hù)電路。借助它我們可以很容易地構(gòu)成輸入過/欠壓保護(hù),輸出過/欠壓保護(hù),以及過熱保護(hù)。
圖3:電源保護(hù)電路圖
T1為鑒流線圈,初級(jí)線圈以半匝串接入主振蕩管的D極(場(chǎng)效應(yīng)管)或C極(晶體三極管)。這樣接的最大好處在于,首先鑒流線圈能最大程度地感應(yīng)到主振蕩管電流的變化情況,其次,鑒流線圈后級(jí)接法基本上是通用型PWM整流、濾波線路。和一般鑒別電源總電流的方法相比,鑒流輸出功率大,易于后級(jí)的再處理;鑒流輸出的電壓VOP1隨電源輸入電壓變化較小,其值主要取決于振蕩管上的電流脈動(dòng)波形的積分。這樣就對(duì)輸入電壓的低端與高端能得到基本相同的過流保護(hù)特性。
延伸閱讀:
生產(chǎn)環(huán)境對(duì)電源模塊可靠性的影響:http://m.bswap.cn/art/artinfo/id/80001400
高性能電源保護(hù)電路:http://m.bswap.cn/art/artinfo/id/80014366
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邁向綠色的工業(yè)電源
節(jié)能型電源是大勢(shì)所趨,而近幾年來,“能源之星”的實(shí)施對(duì)設(shè)計(jì)和制造高性能的節(jié)能型電源起到了推波助瀾的作用;國際能源署(IEA)倡導(dǎo)的“1瓦計(jì)劃”提出在2010前,要將所有電器的待機(jī)能耗降至1瓦以下;80 PLUS標(biāo)準(zhǔn)要求臺(tái)式PC機(jī)的效率在不同負(fù)載條件下都要高于80%;歐洲IEC555管理?xiàng)l例規(guī)定,功率超過75W的產(chǎn)品就需要增加PFC;美國加州能源委員會(huì)(CEC)則出臺(tái)了針對(duì)外部電源的強(qiáng)制性能效標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)電源中使用的各種產(chǎn)品如IGBT模塊、電容、電阻等元器件當(dāng)然也正順勢(shì)而動(dòng),朝著綠色的方向邁進(jìn)。
在AC/DC轉(zhuǎn)換的其方面,效率既與原材料本身相關(guān),也涉及設(shè)計(jì)復(fù)雜程度和設(shè)計(jì)技巧的問題。針對(duì)具體功率應(yīng)用需求選擇合適的工作模式,優(yōu)化材料的選用并采用合適的設(shè)計(jì)技巧,能夠有效地提升轉(zhuǎn)換效率。除了采用損耗較低的器件,改善AC/DC電源性能主要可利用諧振轉(zhuǎn)換、同步整流等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。也可以通過新型的PFC結(jié)構(gòu)提高效率,如無橋PFC和交錯(cuò)式PFC等。交錯(cuò)式PFC控制器可幫助設(shè)計(jì)人員簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì),提高系統(tǒng)可靠性,實(shí)現(xiàn)更高的功率因數(shù)與額定效率。
對(duì)于DC/DC轉(zhuǎn)換器而言,開關(guān)損耗是決定其能效的關(guān)鍵因素之一。軟開關(guān)技術(shù)或者低柵電荷FET開關(guān)等都是降低開關(guān)損耗的有效手段。此外,當(dāng)負(fù)載很小或處于空載待機(jī)狀態(tài)時(shí),可利用新型的工藝和控制方法(如SMARTMOS硅片工藝、脈沖跳頻技術(shù)、突發(fā)模式等)實(shí)現(xiàn)待機(jī)電流的最小化,從而使DC/DC轉(zhuǎn)換器在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)保持高效率。
從電源架構(gòu)入手是改善能效的另一種途徑。電源架構(gòu)的功效取決于系統(tǒng)級(jí)需求、采用的元件和設(shè)計(jì)拓?fù)?。目前分布式架?gòu)應(yīng)用得十分廣泛,這種架構(gòu)具有最優(yōu)的調(diào)整精度和瞬態(tài)響應(yīng),可以向負(fù)載提供更好的加載和線性調(diào)整率以及良好的EMI性能。另一方面,根據(jù)系統(tǒng)的大小,規(guī)劃混合型的總線結(jié)構(gòu)也能降低系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)和成本。
延伸閱讀:
綠色開關(guān)電源設(shè)計(jì)需注意的要點(diǎn):http://m.bswap.cn/art/artinfo/id/80009766
中小功率綠色開關(guān)電源設(shè)計(jì)與研究:http://m.bswap.cn/art/artinfo/id/80012144