开关和监视高达1000V的高压DC电源
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数百伏的 DC 电源并非如人们想象的那样不常见。也许首先进入脑海的一种应用是电动型汽车，在这种汽车中，锂离子电池组的电压范围高达 400V。不过一些不那么为人熟知的高压应用出现在现代战机中，例如 F-22 猛禽 (F-22 Raptor) 和 F-35 闪电 II (F-35 Lighting II)，这些战斗机主要由 270V DC 电源供电，以实现更快速、精准的性能。大型太阳能阵列可以输出 600V 或更高的电压，而对工业电机驱动器中的 AC 电压整流，可产生范围为 170V 至 680V 的 DC 电压。 很多年来，人们一直在开展研发工作，以将数据中心的配电从 AC 变为高压 DC (380V 或 ±190V)，从而减少电源转换步骤、设备占用空间和运行成本，同时方便与太阳能等可再生能源整合。以较高电压配电降低了电流值，从而降低了电阻性损耗 (I2 • R)，这个特点可用来减轻电缆重量。所有这些高压电源都需要开关和软启动以给负载供电。就能量监视和优化而言，以数字化方式监视在高压总线上的电压和电流是必不可少的。任何控制这些电源的电路都必须是电气隔离的，以保证操作人员的安全，并针对危险的高压对低压电子组件提供保护。 控制浪涌电流和监视电源的方法 设计高压电源时，一个重要的目标是安全地控制进入电容性负载的启动浪涌电流，例如典型桥式整流器后面跟随的 DC 总线电容器。一种降低浪涌电流的简单方法是，使用负温度系数 (NTC) 热敏电阻器，也称为浪涌电流限制器 (ICL，图 1a)。在电源或负载接通之前，这些热敏电阻器在室温时有很大的电阻 (例如几欧姆)；大电阻限制了接通时的浪涌电流。随着电流流过，热敏电阻器温度升高，其电阻也随之减小一至两个量级 (减小到 1/10 至 1/100，变为低于 1 欧姆)。这些热敏电阻器的价格在每个 0.13 美元至 7 美元之间，视电流和电阻额定值的不同而不同。尽管简单易用，但问题是，快速电源周期 (接通 - 断开 - 接通) 也许导致在第二次加电时无法限制浪涌电流，因为热敏电阻器可能没有充足的时间冷却至大电阻状态。NTC 热敏电阻器有很宽的容限 (±25%)，而且因为浪涌电流通过电阻下降率与稳态电流相联系，所以浪涌电流不能灵活地调节至任意低的值。ICL 在吸尘器、荧光灯和开关模式电源中都有应用，在这些应用中降低了桥式整流器 DC 总线电容器的浪涌电流。 为了克服 NTC 热敏电阻器在快速重启时没有浪涌电流限制这个缺点，使用了一个与该电阻器并联的短接继电器。这个继电器称为阶跃启动继电器 (图 1b)。在接通时，并联中继器开路，浪涌电流由电阻器限制。一个定时器也同时启动，当定时器到期时，继电器短接电阻器。负载电流现在流经继电器。在快速重启时，阶跃启动继电器能够提供浪涌限制。这种方法需要增加一个短接继电器和一个控制继电器接通的定时器。由于复杂性提高，解决方案的成本也提高到了 20 美元至 30 美元范围。 |
