VICOR電源第二代DC-DC轉換器配件模塊-濾波/自動調節整流模塊FARM

VICOR電源設計指南和應用手冊-全型、小型和微型系列DC—DC轉換器及配件模塊

VICOR電源——廣州源博科技有限公司

VICOR濾波/自動調節整流模塊FARM

VICOR濾波／自動調節整流模塊(FARM)；是配套VICOR DC—DC轉換器的交流前端模塊。以FARM及VICOR DC—DC轉換器為核心元件，可以組成高性能的電源系統，并能滿足廣泛的應用要求以及達到各項安全標準。除了瞬變、浪涌抑制和EMI濾波外，濾波和自動調節整流模塊(FARM)內還包含功率開關和控制電路，令模塊可以自動調節整流、限制涌流及提供過壓保護等功能。FARM可監察供電情況，啟動或關斷下端的DC—DC轉換器。組成有秩序的電源接通或關斷順序。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。

功能說明

啟動時的情況當輸入電源接通時，限制浪涌電流的正溫度系數(PTC)熱敏電阻的旁路開關打開，倍壓整流連接片(strap)在開啟狀態。此外，轉換器模塊被使能(EN)線線關斷，母線正常信號(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始充電，熱敏電阻限制充電電流，充電時間常數由保持電容的容量和熱敏電阻的冷態電阻決定。當電容兩端電壓達到輸入交流電源電壓的峰值時，電容電壓與時間的關系曲線的斜率(dv／dt)接近于零。當電容兩端電壓曲線的斜率接近于零時，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規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，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關旁路。

4．1熱敏電阻旁路開關閉合后，經過～150 ms，轉換器模塊被使能開始工作。

5．1再經過～150 ms，母線正常信號(BOK)變為低電平，轉換器模塊輸出電壓可維持在規格上標明的范圍內。

電源關斷順序

當輸入電源被關斷或失效，由于直流母線電壓下降，將發生下述過程：

1．2當直流母線電壓低于205 V時(典型)，母線正常信號變為高電平。

2．2當直流母線電壓低于190 V時，轉換器模塊將關 斷。轉換器模塊關斷后，如果重新接通輸人電源，將重復電源接通順序。如果交流電源發生瞬時中斷，并且在直流母線電壓下降到關斷門限值以前，交流電源恢復供電，不會重復電源接通順序。換言之，電源就能過度瞬時中斷。在整個輸入電壓范圍內，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轉換器，和vicor電源Vl一26x系列及Vl一。]6x系列DC—DC轉換器模塊的輸入電壓范圍相配。FARM可根據交流輸入電壓自動轉換為橋式整流或倍壓整流，從而可以有效地防止開關電源因接入不適當的電源電壓而損壞。輸入電壓在90 Vac一132 Vac之間時，FARMlXXX額定功率為500 W，輸入電壓在180Vac一264 Vac之間時，FARMlXXX額定功率為750 W。輸入交流電壓在90 Vac一132 Vac之間時，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，FARM2xxx額定功率為1，000 W，只要最大功率不超過上述數值，這兩種交流前端模塊都可任意與一個或多個DC—DC轉換器模塊組成開關電源系統。

連接片(ST)引腳 在實際應用中，FARM模塊除了應連接輸入和輸出引腳外，為了實現自動適應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)的中結點。金屬氧化物壓敏電阻器V1和V2提供電容保護。電源關斷時，保持電容可通過泄放電阻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75 mm時，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轉換器模塊的PC引腳或GATE lN引腳，以便剛接通電源時，FARM能暫時關斷DC—DC轉換器模塊，否則保持電容正通過限流熱敏電阻充電時，vicor電源轉換器模塊就可能開始工作，因而無法使母線電壓達到熱敏電阻旁路門限電壓，結果是轉換器將無法正常起動。使能(EN)引腳輸出(內部N一渠道MOSFElT的漏極)電壓，在模塊內部通過1 50 kQ電阻升到15 V。為了消除轉換器模塊之間可能產生的控制干擾，每只轉換器模塊的PC或GATE IN引腳都必須串人一只信號二極管，并且該二極管應當盡量靠近PC引腳。電源接通且浪涌電流消失后，使能(EN)引腳與負輸出引腳之間的電壓會上升到1 5 V，從而使各轉換器模塊開始工作。如果直流母線電壓超過400 V，使能(EN)引腳電壓也可關斷DC—DC模塊，從而實現轉換器模塊輸入過壓保護。發生輸入過壓保護時，內部熱敏電阻旁路開關打開，且與輸入電壓串聯，從而降低母線電壓到一個安全的水平，壓敏電阻同時又限制了輸入之電流。因發生故障或負載電流過大使直流母線電壓低于1 80 V時，熱敏電阻旁路開關也將打開作限流保護。

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轉換器的-In引腳都在高電平。如需要以控制DC-DC轉換器的PC或GATE lN引腳(參考-In)來提供外在接通，關斷功能，就要采用一個光耦隔離器或隔離繼電器。

圍8—3一離線式開關電源配置VICOR母線正常信號IBOK)引腳(圖8—5)BOK引腳可提供電源中止提前警告信號，該引腳電壓也是以負輸出引腳為基準。

注意：FARM模塊的輸入和輸出不隔離。如果母線正常信號用于轉換器模塊的次級(輸出端)，必須通過光電隔離器監控。用示波器測試時，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連接輸入和輸出端。

濾波器(圖8—6)內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的X一電容，在100 kHz到30 MHz頻帶內，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、電源中斷保持時間和過渡時間。(圖8—7)在許多實際應用中，·都要求輸入電源出現規定時間內的瞬時中斷時，電源設備必須維持輸出電壓，也就是說，轉換器模塊必須維持不問斷輸出電壓。同樣，在許多應用系統中，為了有時問按順序關斷轉換器模塊，還要求通知電源即將中斷。

電容充電電壓為V時，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(功率時間的乘積)可由下式表示：

    ￡=PAt=C(V1。一V2。)／2    (2)

式中：P=轉換器的功率

    △t=電容器放電間隔

    V1=△l起點電容器的電壓

    V2=△t終點電容器的電壓

將(2)式重新整理后，可得出所需的電容：

    C=2PAt／(V1。一V2。)    (3)

電源失效預警時間(△t)是指電源中斷預警母線正常信號(BOK)到轉換器模塊關斷之間的時間，如圖8—7所示。母線正常信號(BOK)和使能門限值分別為205 V和1 90 V。將這些數值代入公式(3)中，可簡化電源失效預警時間、功率和母線電容之間的關系：

C=2P&t：／(2052—1902)

C=2PAt／(5,925)

應當注意，如圖8—3所示，保持電容由C1和C2串聯組成，每只電容的容量應為計算值的兩倍，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生的紋波電壓)，也可影響保持電容所需的電容量。還應當考慮給定轉換器的紋波抑制比和最終的輸出紋波電壓要求。例如，轉換器輸出電壓為15 V，額定輸入電壓為300 V時，紋波抑制比將為56 dB，即輸入紋波電壓10 V峰一峰值將產生輸出紋波電壓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值(圖8—7)。在經整流的市電電壓的兩個峰值之間的時間間隔△t內，保持電容必須保持規定的母線電壓，△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=整流器的導通角

    (圖8—7)

近似的導通角可由下式給出：

    e=COS一(V2／V1)    (5)

選擇保持電容時，還應當考慮額定紋波電流，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

保持時間、過渡時間和要求的紋波電壓與母線電容容量的關系。

在該實例中，DC—DC轉換器模塊在負載端的輸出電壓為12 V，輸出功率為320 Wc，假設轉換器的效率為85％，FARM模塊的輸出功率應為375 Wc，在90—264 Vac輸入電壓范圍內，所需的保持時間為9 ms。決定電源失效預警時的電容容量給定電源失效預警時間和輸出功率時，可根據圖8—8決定保持電容的容量，可以看出，母線電容的總容量至少應為820 LJF，由于兩只電容串聯，所以每只電容的容量至少應為1，640 uF。

注意：預警時間與輸入電壓無關。保持電容值計算器可圖8—6一內置的濾波電路決定過渡時間如圖8—9所示，過渡時間是市電電壓和輸出功率的函數。從圖8—9可以看出，額定市電電壓為90 Vac時，過渡時間為68 ms，應當說明，過渡時間為市電電壓的函數。

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。可以看出，保持電容兩端的紋波電壓為12 V峰一峰值。

決定DC-DC轉換器輸出端的紋波電壓圖8—1 1用于決定DC—DC轉換器的紋波抑制比。可以看出，輸出電壓為12 V時，紋波抑制比約為60 dB。因為母線電壓上的紋波為12 Vac且轉換器的紋波抑制比為60 dB，因此因輸入電源(初級1 20 Hz)紋波而產生的轉換器輸出紋波應為1 2 mV峰一峰值。母線正常信號(BOK)隔離供電狀態指示器

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