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专业论文 
“4秒”强劲而安全的额外功率
———PULS普尔世开关电源的Bonus Power®
 
         常用的控制系统元件不仅需要稳定的持续电流,还会在起动等情况下消耗更高的短时峰值电流,否则可能会造成电磁式执行器无法正确执行动作,电机无法起动,系统和设备频繁地停机或者重新起动,或者断路器在短路故障时无法及时切断电路,出现一系列无法预计的问题和危险等。因此,为此类负载供电的电源必须能够提供强劲的短时额外功率,同时还要保障安全。PULS普尔世精品Q系列电源的额外功率Bonus Power;从功能性、经济性和安全性上很好的满足了这一应用需求。


具有浪涌电流特性的负载
        如果您的负载是电磁式执行器,包括电磁阀、继电器、接触器等,需要在控制端通过直流来控制开关、运动等;或者,您的负载输入端有较大的电容;或者,您需要电源来驱动直流电机;或者,您正在选择微型断路器或熔断丝来保护负载… … 那么,您很可能已经熟悉了“浪涌电流特性”:即负载在起动时所需的短时电流可能是起动后所需持续电流的几倍甚或十几倍。
         图1所示为电磁式执行器、直流电机或容性负载的典型电流需求,它们在起动瞬时(几十毫秒内)所需电流是起动后正常工作时的3-8倍。图2所示则为常用微型断路器的B脱扣特性和C脱扣特性电流/时间曲线,它们所需的迅速动作的电磁脱扣电流(直流)分别是额定电流的3-8倍和5-15倍。

图1 容性、感性负载所需电流特性曲线

图2 ABB微型断路器脱扣特性曲线(摘自:ABB终端配电保护产品数据表第10页)

具有恒定功率特性的负载
        另一种常见的负载特性是直流/直流转换器等非线性负载所具有的“恒定功率特性”,如图3所示,负载在起动时,电压会先升到某一中间值,然后电流突增,接着再升高电压并减弱电流,最后稳定在额定电流和额定电压处。整个起动过程中需要的功率是恒定的,而短时最大电流也会数倍于起动后的持续电流。

图3 直流/直流转换器所需电流特性曲线
       目前市场上大多数的开关电源产品不能提供“额外功率”,在出现上述短时过载电流需求时往往或是限制电流并降低电压Current limit,或是出现打嗝模式Hiccup,即间歇性的关断输出,或是完全关断输出shut-down,造成负载无法正常工作,系统停机。即使在过载情况消除之后仍无法自动恢复输出,需要切断再导通输入(Recycle input)或者操作人员按电源上的Reset按钮才能恢复输出,给生产和设备的运营及维护造成损失。

选择额定功率更大的电源?
此时,人们首先会想到选择额定功率足够大的电源。但是这种方案存在如下问题:
        经济实用性:为了满足几十毫秒到几秒的瞬时电流,您可能要花3-8倍的钱去买更大额定功率的电源,消耗控制柜内几倍的安装空间,而让这台电源在大多数时间内只发挥不到10-20%的能力,效率之低显而易见。
        安全性:更重要的则在于存在安全隐患。电源、端子、导线、负载等所有电气元件都标有额定电流,如果流过其中的电流长期高于额定电流(过流),就可能出现过热、燃烧等危险,这对于电气设备来讲是极度危险的。另外,如果使用电源并联来提高输出功率或构建N+1冗余系统,或者为电池充电,都可能导致出现长期“过载”和进一步的危险情况。虽然大多数电源内部集成有过温保护,即在温度过高时自动切断输出,但是由于它无法探测处于电源之外发生短路的导线或端子的热点,而且往往反应不够及时,不能起到有效的保护作用。

增强功率Power Boost:强劲的额外功率
         一方面,要尽量提高电源的输出能力,满足负载对短时的更高电流的需求;另一方面,又不能使电源长期处于较大的过流状态,避免电源自身、导线或负载出现燃烧等危险。为满足这一需求,PULS普尔世电源公司早在上世纪90年代就推出了具有20-25%增强功率Power Boost的SilverLine强力型电源产品,并在2006年推出的简约C系列产品中也集成了20%增强功率Power Boost功能。
        但是,为了进一步提高经济性,电源的输出能不能更加强劲(额外功率高于25%),同时如此强劲的电源的工作能不能保证安全,尽量减少用户在系统设计时的顾虑呢?有一家电源厂商推出了具有250%额外功率的产品,而为了避免危险,将额外功率时间限制在了20毫秒以内,很多应用中却无法满足负载的需要;另一家电源厂商的产品具有50%的额外功率,但是只有在环境温度40°C以下才能使用,并且没有任何时间限制,从而将避免长时间过流的责任完全交给了用户。

Bonus Power®: 4秒强劲而安全的额外功率
       在与众多用户的沟通和大量工程实践的基础上,PULS普尔世在2005年开创性地推出了独特的4秒内50%额外功率Bonus Power®,并将其实现在精品Q系列电源产品中。
       图4所示为额定输出24V/10A的QS10.241的输出特性曲线,从中可以看出,电源在输出电压不下降的情况下,保证输出电流15A以上,峰值电流可达25A,而且如此强劲的额外功率在-25°C到+70°C环境温度下都可以使用。

图4 24V/10A额定输出的电源QS10.241的输出特性曲线

        这里需要指出的是,在短路故障发生时负载保护断路器能否及时脱扣(或熔断丝及时熔断),不仅取决于电源能否提供足够“强劲”的电流,还要考察故障回路阻抗。如图5的电路连接所示,当短路故障发生时,流经断路器的电流还取决于导线电阻R,如果R较大,则无法从电源“拉”出更多的电流,也不能使断路器及时脱扣。因此,只有在了解电源的输出峰值电流的前提下,进行合理的线路设计,选择匹配的保护元件,才能真正实现有效的负载保护。PULS普尔世公司在保证电源强劲的峰值电流能力的基础上,还在每款电源的数据表中提供了可以匹配使用的保护断路器的参考数据,大大方便了用户的负载保护设计。

图5 负载端发生短路故障时断路器的保护作用

         另一方面,电源内置的微控制器将50%的额外功率输出时间严格控制在“4秒”之内:如果过载条件在4秒之后还未消除,输出电流就会限制在额定电流值,避免可能的过热燃烧发生。这一特性尤其在负载端短路故障不能及时消除时,能够有力地保障系统的工作安全。

图6 电源并联构建N+1冗余电源系统

        当电源并联构建N+1冗余电源系统(图6)或增强输出功率时,几台电源的输出电压很难设置到完全相同,而其中设置电压较高的电源会承担较多的电流输出,长期处于过载状态,从而因过热导致使用寿命大大减少,甚或燃烧等危险。而具有Bonus Power®的PULS普尔世电源则会在4秒钟过载输出后自动恢复到额定电流输出,保证了整个电源系统长期稳定的工作。
        Bonus Power®的安全性还体现在为电池充电的应用中。用一般开关电源为电池充电时,电源一直都处于过载状态,而且会持续数小时以上,也会因过热而导致使用寿命大大减少,甚或燃烧等危险。具有Bonus Power®的PULS普尔世电源也很好的保证了安全的充电过程。
       目前,集成有Bonus Power®功能的精品Q系列包括额定功率80W,120W,240W,480W的单相及三相输入产品,输出电压可选12Vdc,24Vdc,30Vdc,36Vdc,48Vdc。
(文中涉及产品的详细技术指标请参看产品数据表datasheet。)

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