- 工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合的特殊性使得工業(yè)電源需要滿(mǎn)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)
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(guò)不斷進(jìn)步的技術(shù)和完善的電源模塊設(shè)計(jì)越來(lái)越好地被滿(mǎn)足。例如，越來(lái)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(lái)越簡(jiǎn)單，選型也變得相對(duì)容易。各模塊工業(yè)電源廠(chǎng)商已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行器件和電路的整合來(lái)盡量降低成本，提高競(jìng)爭(zhēng)力。
本期專(zhuān)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(lái)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(lái)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(mǎn)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?chē)娊赓|(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小（一般 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(wàn)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(wú)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(yáng)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(xiàn)供電，提供電機(jī)所需的峰值功率；在電梯減速下降過(guò)程中，吸收電機(jī)通過(guò)變頻器向直流母線(xiàn)回饋能量。
在太陽(yáng)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(xiàn)和地線(xiàn)之間，用于保持直流母線(xiàn)的電壓，并緩沖光伏電池提供的過(guò)大能量，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候放電以滿(mǎn)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(yáng)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(kāi)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(méi)有設(shè)計(jì)再充電電路,鋰電池使用到一定時(shí)間后,將無(wú)法為控制電路提供能量,不得不更換電池。上門(mén)為用戶(hù)更換電池或水表,這對(duì)于水表生產(chǎn)廠(chǎng)家和自來(lái)水公司來(lái)說(shuō)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(wú)法可靠的關(guān)斷水閥,造成無(wú)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(wèn)題，已有不少?gòu)S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(wú)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(yáng)能路燈設(shè)計(jì)中的應(yīng)用：http://www.gpag.cn/art/artinfo/id/80011588
超級(jí)電容在智能水表中的應(yīng)用方案：http://www.gpag.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(guān)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(guò)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(kāi)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(kāi)關(guān)管和輸出整流管的距離應(yīng)當(dāng)很近，因流過(guò)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(wèn)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(lái)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(wú)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(guò)/欠壓保護(hù)，輸出過(guò)/欠壓保護(hù)，以及過(guò)熱保護(hù)。
圖3：電源保護(hù)電路圖
T1為鑒流線(xiàn)圈，初級(jí)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)圈后級(jí)接法基本上是通用型PWM整流、濾波線(xiàn)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(guò)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://www.gpag.cn/art/artinfo/id/80001400
高性能電源保護(hù)電路：http://www.gpag.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(lái)，“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(guó)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(guò)75W的產(chǎn)品就需要增加PFC；美國(guó)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A(yíng)C/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(wèn)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(lái)實(shí)現(xiàn)。也可以通過(guò)新型的PFC結(jié)構(gòu)提高效率，如無(wú)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(kāi)關(guān)損耗是決定其能效的關(guān)鍵因素之一。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)或者低柵電荷FET開(kāi)關(guān)等都是降低開(kāi)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)洹Ｄ壳胺植际郊軜?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(xiàn)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(xiàn)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(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)需注意的要點(diǎn)：http://www.gpag.cn/art/artinfo/id/80009766
中小功率綠色開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與研究：http://www.gpag.cn/art/artinfo/id/80012144
