变频器中间直流总线供电的开关电源

图1：由变频器中间直流总线供电，不需交流电网供电

图2：正极（蓝色）和负极（绿色）对地电压：超过800V

图3：较高的直流电压产生的原因：快速IGBT以高频周期性地将正负极与地相连

图4：允许输出电流与输入电压

    带有360-900V直流输入、可以直接由变频器中间直流总线供电，这样的电源听起来非常令人心动。但是这样的电源却有着特别的设计要求。

    用于控制系统和其它应用的电源传统上都是直接由单相或三相电网供电的。然而，由于越来越多的变频器以及伺服电机放大器的应用，新的供电可能出现了：由变频器的中间直流总线供电（图1）。这种供电的优点在于，可以利用运转的电机中储存的、“免费”的动能来为控制系统供电。如果这种可能成为现实，将大大提高电源相对电网波动的稳健性，而不必使用需要经常性维护的蓄电池缓冲系统。

    为了理解这种应用，可以以吊车为例：当吊车刚刚向上吊起货物时，如果供电电网突然中断，会发生什么呢？通常，控制系统必须备有蓄电池缓冲，从而使被吊起的货物能够被安全地降下来。而如果控制系统由中间直流总线供电，则吊车的电机在货物被降下时会起到发电机的作用，保持住中间直流总线以及控制系统上的电压。通过这种对执行器和控制系统的强制同步，可以使系统设计更加简单和安全。

     那么，电源必须满足哪些要求，才能适合由中间直流总线供电的应用呢？有人可能会说，没有什么要求，因为从基本原理推断，开关电源总是在内部对交流电整流，所以开关电源可以由交流和直流供电。而且，很多开关电源的产品说明中也会明确指出一定的直流输入范围，如450…750Vdc等。那么，为什么在实际中用普通开关电源直接连接到中间直流总线上会出现问题呢？

    [page]其中一个原因在于，中间直流总线上的电压常常是带有几百伏对地幅值的高频交流电压（图2）, 即所谓“共模噪声”。标识“直流电压”实际上指的只是正负极间的电压，而不是对地的，因为整个中间直流总线以相同的节奏对地来变动。这种效应是因为变频器中的快速开关(IGBT)通过电机和其它的电容以高频周期性地将正负极与地相连（图3）。

    变频器虽然自带有滤波器，但是它只对外工作，也就是面向输入电网；而对内，即面向中间直流总线，它不起作用。而且因为这是变频器内部，也没有明确的电磁兼容标准要求。而针对电源的电磁兼容标准也不覆盖这一应用，因为普通电源输入端上不会长期有600V，几千Hz频率范围的的干扰，这种干扰超过了普通电源所要求的输入可靠值的几十倍。因此对中间直流总线供电的电源的要求完全不同于普通的电源。

    因此，普世（PULS）开发了一款专门由变频器中间直流总线供电的、24V/20A输出的电源，QTD20.241。它的一个重要的特点在于，掉转了滤波器的朝向。通常设计滤波器是为了使由开关电源产生的干扰不会影响到输入端电网。而在中间直流总线供电应用中，滤波器则要屏蔽来自中间直流总线的干扰；来自电源的干扰不需要滤除，因为中间直流总线上已经很不“干净”了，而且变频器自带的滤波器也会滤除QTD20电源可能产生的干扰。另外，根据UL508标准要求，QTD20的输入端上还有特殊的直流保险丝，如果不小心将它的输入端反接，保险丝也不会断，电源只是不再继续工作了。

    该产品的另一个特殊性在于，它有很宽的直流输入范围：从360V到900V（图4），远远超过一般AC/DC电源的直流输入范围。其中的直流下限值对于本文所描述的应用尤为重要。而在上限范围，普世（PULS）也设计了很多裕量。因为当电机制动时，电机中的动能会被返回到中间直流总线上，此时的电压会在变频器的限压电路工作前迅速升高。QTD20会在电压高过900V时施加额外的保护，使电源自动关断，避免不必要的损失。除了利用中间直流总线上的能量延长缓冲时间外，QTD20还能用内部自带的电解电容提供20A负载下0.022秒的输出缓冲时间。

    熟悉普世（PULS）产品的用户可能会发现，QTD20（D表示直流输入）与三相输入、24V/20A输出的QT20外观基本相同。这两种电源实际上有很多相似的特性，比如精简的设计（只有65mm宽）；转换效率高达95％；输出电压监控信号DC-OK，快速方便的弹压式接线端子，等等。由于有宽输入范围，QTD20的4秒内额外功率（Bonus power）不得不降到25％，但仍提供了动态负载下的很多裕量。使用QTD20，可以方便地设计出先进可靠的、专门用于变频器驱动的控制系统。如果在系统第一次启动时需要从三相电网接入一个小功率电源，则可以选用普世（PULS）的带380-480V交流输入、24V/4A输出的，“性价比”较高的ML100.200电源。

    事实上，还有很多应用中，PULS推出的QTD系列产品可以避免电网波动可能带来的人身伤害和经济损失，比如，纺织、造纸、打磨机械以及前面提到的吊装机械等。QTD系列产品可以提供给控制系统足够的能量，保证整个设备在电网波动情况下安全地、受控地关机，从而成为驱动系统设计的最佳选择。