电压降仅为50mV的MOSFET冗余模块YR80.241

   1 前言

    24V直流电源电压的故障通常意味着重大的安全隐患或经济损失。全天候可靠、不间断地供应24V电源也就变得越来越重要，尤其是随着电力系统越来越智能化，过程越来越复杂、高效。它不仅适用于工业体系，也适用于很多其他领域。

    在电信行业，过程工业和发电厂基站等领域中，冗余电源系统是当前最常见的应用。在诸如交通控制系统、隧道监视和门禁系统等领域，冗余工作方式越来越普遍，越来越重要。普尔世（PULS）已开发出了两种新型冗余模块，用于该领域的大功率应用。和标准24V电源一起可以构建大功率冗余系统。如图1所示。

图1 普尔世冗余模块

    2 冗余技术现状

    借助于低损耗的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）技术，普尔世第一次实现了只需要一个冗余模块就可以构建40A冗余系统的目标。在这个功率范围内的各个电源不再需要两个单独的模块。

    在最简单的方案中，冗余意味着两个电源并联，每个电源可以独自供应负载。这种方案称为1+1冗余。如图2所示。

    更高输出的电流采用N+1冗余系统。在120A负载电流的实例中，4个40A的装置以冗余模式运行。如果其中一个装置出现故障，其余三个电源可以继续、安全的提供120A电流。

图2  40A 1+1冗余系统

    3 普尔世冗余模块的技术特点

    通常情况下，冗余供电系统为单个电源的并联使用。由于标准电源的输出端口通常没有去耦二极管，这些装置必须使用冗余模块连接起来。这也就意味着即使在电源输出级短路或缺陷的情况下，系统仍保持冗余状态。

    冗余系统要求监视各个独立电源的功能，确保尽早检测到故障，启动维护程序。为此，可使用电源的DC-OK信号。

    3.1 电压降仅为50mV[1]的“去耦二极管”

    标准冗余模块中的外延二极管或肖特基二极管会在输入和输出之间引起（500~800）mV[2]电压降。根据负载电路的不同，功率损耗可能会很高，并导致发热问题。在新型的YR40.241（40A）和YR80.241（80A）冗余模块中，已经首次将传统的二极管换成了MOSFET。乍看这样更换并非什么重大的突破，因为类似这样的“同步整流法”已经普遍应用于各种电源输出级。安装了外部冗余模块之后，还需要考虑意外的工作状况，诸如短路、极性反接或负载反馈，这些问题一点也不容易解决。

    如果负载或电缆敷设时出现短路，电源电压降出现故障，导致在冗余模块上实际并无可用电压。然而，冗余模块中的MOSFET必需保持供电状态，使得短路电流的功率损耗更低。如果MOSFET的电源故障，整个电流会另外流经MOSFET的“体二极管”，导致MOSFET的功率损耗升高15倍左右。为避免出现这种情况，使用了获得专利权的电路，以便从最低的剩余电压中产生适当的电源电压。这种方法在接通电源时出现短路现象、或者输入电压反接的情形下尤其重要。新的电路也允许出现这些情形。

    MOSFET冗余模块的优点不言而喻。MOSFET的导通电阻较低，使得电压降远远低于使用二极管时的电压降。输出电流为40A时，YR80.241输入端和输出端的差异仅为50mV。如图3所示。使用传统的二极管模块时，电压降至少为500mV。同样，二极管的功率消耗至少升高10倍，并且需要大型散热器进行冷却。如图4所示。MOSFET冗余模块YR80.241在输出电流为40A时，功率损耗仅为2.7W。这不仅包括MOSFET的功率损耗，也包括终端、内部线路和所需电路的功率损耗。不需要散热器。

图4   冗余模块的功率损耗曲线

    3.2 不带散热器的80A MOSFET冗余模块

    YR80.241冗余模块含有两个40A输入端和一个80A输出端，短期内可超载160%。这就使得输出电流达到40A的电源1+1或N+1冗余系统仅使用一个冗余模块。由于功率损耗较低，内部无需安装散热器，并且装置的宽度可以限制到46mm。如图5所示。该模块可防止短路、避免极性反接，在-40℃和+70℃之间可实现全功率运行。诸如制动电机之类的反馈型负载最高电压甚至允许达到40Vdc。为适于全球使用，我们正在计划一种综合的国际认证包，除了很多安全认证之外，还包括ATEX（防爆指令）认证。

    对于小一些的输出电流，YR40.241冗余模块的最高输出电流为40A，宽度限制在36mm。

图6 冗余系统外观尺寸

    同理，使用YR40.241冗余模块和20A电源实现了20A冗余系统的设计。 
除了这两个高电流冗余模块之外，普尔世还提供了带二极管的冗余模块，适用于较小和中等输出电路。这些模块可具备或不具备综合监控功能。监控器可识别低于固定阈值的电源的输出电压，并适时打开信号接点。如果电源本身没有DC-OK信号，这种功能就显得至关重要。

    4 总结

    由于采用MOSFET新技术，冗余模块的功率损耗进一步降低，实现了40A的1+1冗余也只需要一个冗余模块就能实现，极大节省了设计成本，降低了功率损耗，在当今以环保为理念的产品设计中，该技术必将大放异彩，得到广泛的应用。

    普尔世拥有丰富的产品，通常不需要定制复杂的解决方案，工程师完全可以放心使用设计上乘的、经过全面测试的标准产品。

    在设计冗余系统的时候，推荐的可靠冗余操作方法如下。

    ⑴        每个电源使用单独的输入保险丝。

    ⑵       如有可能，将电源连接到不同的相位或主电路上。

    ⑶       使用三相电源，其中一个相位故障时，确保功能安全。

    ⑷       一定要使用冗余模块或去耦二极管。

    ⑸       所有电源必须单独监控。如出现故障，需尽早检测，立即矫正。为此，可使用电源的DC-OK信号。

    ⑹       尽量均匀设置输出电压。如装置带有“并联使用”功能，将其设为“并联使用”模式。

图5 YR80.241外观

    3.3强大的产品系列——QT40.241和YR80.241

    直到最近，单个40A电源在DIN-rail上所需的空间超过全冗余系统所需的空间。全冗余系统包括两个三相40A电源（QT40.241）和一个YR80.241冗余模块。此处266mm的宽度就足够了。在单相系统中可以使用QS40.241电源。这就使得总宽度达到296mm。如图6所示。较高的部分负载效率和新型的40A电源的“并联使用”模式尤其具有优势。这种模式确保单个电源的负载电流保持唯一，这样有利于整个系统的可靠性和使用寿命。集成输入保险丝、主动功率因数校正（PFC）、宽广的温度范围以及较高的功率和电流储备（4秒60A），只不过是新型QT40和QS40电源的众多创新特征中的几个。集成DC-OK信号监控电源功能，确保尽早检测到故障，启动维护程序。

图3 YR80.241电压降VON与输出电流IT的关系