1前言

24V直流電源電壓的故障通常意味著重大的安全隱患或經(jīng)濟損失。全天候可靠、不間斷地供應24V電源也就變得越來越重要，尤其是隨著電力系統(tǒng)越來越智能化，過程越來越復雜、高效。它不僅適用于工業(yè)體系，也適用于很多其他領域。

在電信行業(yè)，過程工業(yè)和發(fā)電廠基站等領域中，冗余電源系統(tǒng)是當前最常見的應用。在諸如交通控制系統(tǒng)、隧道監(jiān)視和門禁系統(tǒng)等領域，冗余工作方式越來越普遍，越來越重要。普爾世（PULS）已開發(fā)出了兩種新型冗余模塊，用于該領域的大功率應用。和標準24V電源一起可以構(gòu)建大功率冗余系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1普爾世冗余模塊

2冗余技術現(xiàn)狀

借助于低損耗的金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）技術，普爾世第一次實現(xiàn)了只需要一個冗余模塊就可以構(gòu)建40A冗余系統(tǒng)的目標。在這個功率范圍內(nèi)的各個電源不再需要兩個單獨的模塊。

在最簡單的方案中，冗余意味著兩個電源并聯(lián)，每個電源可以獨自供應負載。這種方案稱為1+1冗余。如圖2所示。

更高輸出的電流采用N+1冗余系統(tǒng)。在120A負載電流的實例中，4個40A的裝置以冗余模式運行。如果其中一個裝置出現(xiàn)故障，其余三個電源可以繼續(xù)、安全的提供120A電流。

圖240A1+1冗余系統(tǒng)

3普爾世冗余模塊的技術特點

通常情況下，冗余供電系統(tǒng)為單個電源的并聯(lián)使用。由于標準電源的輸出端口通常沒有去耦二極管，這些裝置必須使用冗余模塊連接起來。這也就意味著即使在電源輸出級短路或缺陷的情況下，系統(tǒng)仍保持冗余狀態(tài)。

冗余系統(tǒng)要求監(jiān)視各個獨立電源的功能，確保盡早檢測到故障，啟動維護程序。為此，可使用電源的DC-OK信號。

3.1電壓降僅為50mV[1]的“去耦二極管”

標準冗余模塊中的外延二極管或肖特基二極管會在輸入和輸出之間引起（500~800）mV[2]電壓降。根據(jù)負載電路的不同，功率損耗可能會很高，并導致發(fā)熱問題。在新型的YR40.241（40A）和YR80.241（80A）冗余模塊中，已經(jīng)首次將傳統(tǒng)的二極管換成了MOSFET。乍看這樣更換并非什么重大的突破，因為類似這樣的“同步整流法”已經(jīng)普遍應用于各種電源輸出級。安裝了外部冗余模塊之后，還需要考慮意外的工作狀況，諸如短路、極性反接或負載反饋，這些問題一點也不容易解決。

如果負載或電纜敷設時出現(xiàn)短路，電源電壓降出現(xiàn)故障，導致在冗余模塊上實際并無可用電壓。然而，冗余模塊中的MOSFET必需保持供電狀態(tài)，使得短路電流的功率損耗更低。如果MOSFET的電源故障，整個電流會另外流經(jīng)MOSFET的“體二極管”，導致MOSFET的功率損耗升高15倍左右。為避免出現(xiàn)這種情況，使用了獲得專利權的電路，以便從最低的剩余電壓中產(chǎn)生適當?shù)碾娫措妷?。這種方法在接通電源時出現(xiàn)短路現(xiàn)象、或者輸入電壓反接的情形下尤其重要。新的電路也允許出現(xiàn)這些情形。

MOSFET冗余模塊的優(yōu)點不言而喻。MOSFET的導通電阻較低，使得電壓降遠遠低于使用二極管時的電壓降。輸出電流為40A時，YR80.241輸入端和輸出端的差異僅為50mV。如圖3所示。使用傳統(tǒng)的二極管模塊時，電壓降至少為500mV。同樣，二極管的功率消耗至少升高10倍，并且需要大型散熱器進行冷卻。如圖4所示。MOSFET冗余模塊YR80.241在輸出電流為40A時，功率損耗僅為2.7W。這不僅包括MOSFET的功率損耗，也包括終端、內(nèi)部線路和所需電路的功率損耗。不需要散熱器。

圖4冗余模塊的功率損耗曲線

3.2不帶散熱器的80AMOSFET冗余模塊

YR80.241冗余模塊含有兩個40A輸入端和一個80A輸出端，短期內(nèi)可超載160%。這就使得輸出電流達到40A的電源1+1或N+1冗余系統(tǒng)僅使用一個冗余模塊。由于功率損耗較低，內(nèi)部無需安裝散熱器，并且裝置的寬度可以限制到46mm。如圖5所示。該模塊可防止短路、避免極性反接，在-40℃和+70℃之間可實現(xiàn)全功率運行。諸如制動電機之類的反饋型負載最高電壓甚至允許達到40Vdc。為適于全球使用，我們正在計劃一種綜合的國際認證包，除了很多安全認證之外，還包括ATEX（防爆指令）認證。

對于小一些的輸出電流，YR40.241冗余模塊的最高輸出電流為40A，寬度限制在36mm。

圖6冗余系統(tǒng)外觀尺寸

同理，使用YR40.241冗余模塊和20A電源實現(xiàn)了20A冗余系統(tǒng)的設計。
除了這兩個高電流冗余模塊之外，普爾世還提供了帶二極管的冗余模塊，適用于較小和中等輸出電路。這些模塊可具備或不具備綜合監(jiān)控功能。監(jiān)控器可識別低于固定閾值的電源的輸出電壓，并適時打開信號接點。如果電源本身沒有DC-OK信號，這種功能就顯得至關重要。

4總結(jié)

由于采用MOSFET新技術，冗余模塊的功率損耗進一步降低，實現(xiàn)了40A的1+1冗余也只需要一個冗余模塊就能實現(xiàn)，極大節(jié)省了設計成本，降低了功率損耗，在當今以環(huán)保為理念的產(chǎn)品設計中，該技術必將大放異彩，得到廣泛的應用。

普爾世擁有豐富的產(chǎn)品，通常不需要定制復雜的解決方案，工程師完全可以放心使用設計上乘的、經(jīng)過全面測試的標準產(chǎn)品。

在設計冗余系統(tǒng)的時候，推薦的可靠冗余操作方法如下。

⑴每個電源使用單獨的輸入保險絲。

⑵如有可能，將電源連接到不同的相位或主電路上。

⑶使用三相電源，其中一個相位故障時，確保功能安全。

⑷一定要使用冗余模塊或去耦二極管。

⑸所有電源必須單獨監(jiān)控。如出現(xiàn)故障，需盡早檢測，立即矯正。為此，可使用電源的DC-OK信號。

⑹盡量均勻設置輸出電壓。如裝置帶有“并聯(lián)使用”功能，將其設為“并聯(lián)使用”模式。

圖5YR80.241外觀

3.3強大的產(chǎn)品系列——QT40.241和YR80.241

直到最近，單個40A電源在DIN-rail上所需的空間超過全冗余系統(tǒng)所需的空間。全冗余系統(tǒng)包括兩個三相40A電源（QT40.241）和一個YR80.241冗余模塊。此處266mm的寬度就足夠了。在單相系統(tǒng)中可以使用QS40.241電源。這就使得總寬度達到296mm。如圖6所示。較高的部分負載效率和新型的40A電源的“并聯(lián)使用”模式尤其具有優(yōu)勢。這種模式確保單個電源的負載電流保持唯一，這樣有利于整個系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。集成輸入保險絲、主動功率因數(shù)校正（PFC）、寬廣的溫度范圍以及較高的功率和電流儲備（4秒60A），只不過是新型QT40和QS40電源的眾多創(chuàng)新特征中的幾個。集成DC-OK信號監(jiān)控電源功能，確保盡早檢測到故障，啟動維護程序。

圖3YR80.241電壓降VON與輸出電流IT的關系