導(dǎo)軌式開關(guān)電源并聯(lián)和冗余技術(shù)在實踐中的應(yīng)用

隨著工業(yè)控制系統(tǒng)的不斷大型化、復(fù)雜化及綜合化，對于控制系統(tǒng)的能源的提供者—工業(yè)導(dǎo)軌式開關(guān)電源的要求也越來越高了，其集中體現(xiàn)在如何提供大功率的開關(guān)電源和如何提高導(dǎo)軌式開關(guān)電源的使用的可靠性，為了達到這個目的，導(dǎo)軌式開關(guān)電源的并聯(lián)技術(shù)和冗余功能得到了很大的發(fā)展。市場上也出現(xiàn)了不少具有并聯(lián)和冗余功能的導(dǎo)軌式開關(guān)電源。但是在生產(chǎn)實踐中如何正確地使用和選擇導(dǎo)軌式開關(guān)電源來實現(xiàn)并聯(lián)和冗余的功能，仍存在不少問題。比如說：如何能實現(xiàn)100%的冗余功能，不同功率的電源在并聯(lián)時會產(chǎn)生什么樣的問題，電源內(nèi)部的調(diào)節(jié)性能對并聯(lián)運行的電源產(chǎn)生的影響，并聯(lián)電源安裝位置及排列對電源使用壽命的影響，以及采用不同電源啟動時間對并聯(lián)運行可能帶來的后果等。本文將對實踐中使用導(dǎo)軌式開關(guān)電源并聯(lián)和冗余技術(shù)的問題作些探討。

1 輸出電壓連接方法對并聯(lián)運行電源的影響

由于在電源設(shè)計中，輸出接線端子一般都按單個電源的最大容量來計算和選定的，因此電源并聯(lián)運行時，各電源的輸出端電壓不能直接地連接，這樣連接的終端會出現(xiàn)過載現(xiàn)象。PULS電源采用了二個輸出端子，如圖1所示。從電源單元到負(fù)載的連接線應(yīng)使用相同長度和橫截面的導(dǎo)線。同時輸出電壓必須連接在一個公共的接線端上。這樣保證每個電源不會在傳輸導(dǎo)線上產(chǎn)生不同的電壓降，避免輸出回路電流的產(chǎn)生。采用被動式均流技術(shù)的并聯(lián)運行時各個并聯(lián)電源的輸出電壓值必須完全一致，為了達到這個目的，許多可并聯(lián)的開關(guān)電源輸出電壓是可調(diào)的，如PULS電源的輸出為24～28V可調(diào)。這樣在所有并聯(lián)的電源接上負(fù)載以前，各個開關(guān)電源的輸出電壓就可調(diào)整到一致的電壓值。

2 不同的開關(guān)電源啟動特性對并聯(lián)運行電源的影響

不同的電源的啟動特性對電源并聯(lián)運行的正常與否將會產(chǎn)生很大的影響，由于開關(guān)電源在上電后大約需要0.3～1.5s的時間才能使輸出電壓穩(wěn)定。而采用啟動時間的差別較大的開關(guān)電源時，往往會給并聯(lián)運行電路的正常啟動帶來很大的麻煩。如果兩個開關(guān)電源并聯(lián)工作，其中一個電源啟動時間比較短，只需0.3s，其電壓很快就穩(wěn)定下來，馬上承擔(dān)負(fù)載的電流;而在第一電源輸出電壓已穩(wěn)定的情況下另一個并聯(lián)開關(guān)電源仍處于啟動狀態(tài)，不能正常工作，這時第一個電源必須承擔(dān)全部的負(fù)載電流，從而進入過負(fù)載狀態(tài)，電源安全裝置起作用，關(guān)斷輸出電壓;恰在此時，另一個開關(guān)電源進入穩(wěn)定狀態(tài)，輸出電壓承受負(fù)載電流，此時第一個電源因為輸出電壓已關(guān)斷，第二個開關(guān)電源必須承受所有的負(fù)載，則又進入過負(fù)載狀態(tài)，引起第二個開關(guān)電源關(guān)斷。在電路設(shè)計時如果沒有充分考慮到保險措施的話，往往會將電源燒壞或者常常要啟動多次才會進行正常工作的狀態(tài)。因此電源在并聯(lián)工作時必須考慮到開關(guān)電源的啟動時間。一般的經(jīng)驗是開關(guān)電源的啟動時間必須小于20%的電源過負(fù)載的時間，這樣才能保證在并聯(lián)運行時可靠啟動，同時建議可并聯(lián)的開關(guān)電源不要采用Hiccup輸出負(fù)載特性，這樣會給電源的診斷帶來困難。德國PULS電源集團公司(以下簡稱PULS公司)的新一代產(chǎn)品DIMENSION充分考慮了電源并聯(lián)工作時特點，加大了電源的過負(fù)載能力，其POWER OVERLOAD具有可維持4秒鐘的150%過負(fù)載能力。這樣，PULS電源并聯(lián)工作是就不必考慮電源的啟動時間的影響，大大方便了使用者和設(shè)計者。

3 突變輸出負(fù)載對并聯(lián)運行的導(dǎo)軌式開關(guān)電源的影響

在并聯(lián)運行時，電源中為了給它的控制電路供電，須提供一個輔助電壓，這在啟動時通過采用一個電容來實現(xiàn)(這也就是為什么電源啟動時有延遲時間的原因)。當(dāng)電源的功率部分正常工作后，其控制電路由本身的電源供電，當(dāng)兩個電源并聯(lián)運行時，如果一開始帶的負(fù)載很少，那么其中一個電源的功率部分基本關(guān)斷(這不僅對被動式或主動式均流方法都是一樣的)。這時這個電源的內(nèi)部的輔助電源也關(guān)斷了，當(dāng)負(fù)載突變時，這個電源必須像啟動狀態(tài)一樣，慢慢地重新建立起來，這要經(jīng)過一個延遲(大約0.5s)才能使電源功率部分正常工作，在這延遲時間內(nèi)，只有一個電源進行工作，而且處于負(fù)載電流的極限狀態(tài)，這時往往會引起過載保護動作，切斷輸出的電壓。因此并聯(lián)運行的電源必須保證在電源空載的情況下，內(nèi)部輔助電源照常工作，這樣，當(dāng)出現(xiàn)突變負(fù)載時所有電源能及時地分擔(dān)負(fù)載。在并聯(lián)運行時，并聯(lián)運行的電源應(yīng)該具有承受較高外來電壓的能力，不然的話，一個較高的外來電壓將會損壞并聯(lián)電源。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，須考慮串接一個隔離二極管。PULS公司的DIMENSION充分考慮了突變輸出負(fù)載的特點，通過加大了電源的過負(fù)載能力，來解決由于負(fù)載突變而可能發(fā)生電源瞬間過負(fù)載的問題。這樣，PULS電源并聯(lián)工作方法比一般的開關(guān)電源的并聯(lián)來的更加可靠、安全和方便。

4 導(dǎo)軌式開關(guān)電源的簡單的并聯(lián)運行模式

在使用導(dǎo)軌式開關(guān)電源時，為了提供超過單個電源所能達到的輸出最大功率，可以通過電源并聯(lián)的方法來增加輸出的電流量。簡單的并聯(lián)運行模式是要求二個或多個電源直接并聯(lián)，而不產(chǎn)生任何損壞的現(xiàn)象，其重要的一點就是電源對輸出功率的承受力，所謂的簡單并聯(lián)并不考慮電流的均流問題，而是考慮在啟動時或負(fù)載變化時的并聯(lián)電源可能產(chǎn)生的問題。人們將兩個電源簡單地并聯(lián)起來，并將它的輸出電源調(diào)整到盡可能一致，這樣在工作實踐中往往會出現(xiàn)這種現(xiàn)象：電源1首先承擔(dān)全部負(fù)載，一直到它的電流極限，然后電源2承受余下的電流，如果這樣并聯(lián)運行作為冗余功能使用，同時采用不同的輸入源的工作的話，那么這種方式是受歡迎的，因為它可以對輸入源壽命起延長保護作用(如電池等)。如果這樣并聯(lián)運行作為提高輸出總功率，即加大電流量的情況下，這種不均流的工作方式將帶來不良的后果，因為這樣一個電源一直工作在滿負(fù)載的狀態(tài)下，其電源的壽命大大減少，并聯(lián)電源的可靠性大大降低，這個電源往往也會過早地?fù)p壞。所以一般并聯(lián)電源必須合理地分配電流，這里有兩種實現(xiàn)的方法。

4.1 采用被動式均衡電流的并聯(lián)運行模式

被動式均衡電流的并聯(lián)運行模式特點是：當(dāng)輸出電流增大時，其輸出電壓會微量的減少，其輸出電壓是所謂的軟特性：輸出電壓隨著輸出電流的增加而稍微下降。其電源在空載到滿負(fù)載之間的輸出電壓的波動大約為4%～5%額定電壓即1V左右。這樣當(dāng)二個電源并聯(lián)時，由于不同的電流負(fù)載產(chǎn)生了不同的輸出電壓，一個是有稍高輸出的電壓的電源首先承受負(fù)載電流，隨著電流量的增加，這個電源輸出電壓略降，低于另一個電源的輸出電壓，這樣另一電源承受負(fù)載電流，通過這樣階梯式交替的方法達到均衡電流的作用。均衡電流的平衡程度如何，取決于所有并聯(lián)電源的輸出電壓的初始調(diào)節(jié)和設(shè)置值。必需指出，這個方法的實現(xiàn)其輸出電源必須采用一個共同的接線端。

一般來講，在大多數(shù)應(yīng)用場合中，具有輸出電壓的軟特性下降曲線的開關(guān)電源基本上能滿足并聯(lián)運行的均流的要求。PULS電源SL強力型系列采用了這種被動式的并聯(lián)工作方式，為了方便用戶的使用，PULS電源上面具有輸出電壓特征的選擇開關(guān)，即單個運行或并聯(lián)運行的選擇開關(guān)。開關(guān)打開“S”狀態(tài)時，這時輸出電壓特征是硬特性，輸出電壓的大小與輸出的電流無關(guān)。當(dāng)打開“P”狀態(tài)時，即為并聯(lián)運行方法，電源輸出電壓特征軟特性。開關(guān)電源的輸出電壓值隨輸出電流增加而減少，以達到均衡電流的目的。這樣PULS電源給并聯(lián)運行或單個運行提供了一個經(jīng)濟而又可靠的性價比高的導(dǎo)軌式開關(guān)式電源。

4.2 采用主動式均衡電流的并聯(lián)運行模式

主動式均衡電流的并聯(lián)模式必須采用一根附加的均流線，這根均流線作為反饋信號傳送到電源的控制器來調(diào)節(jié)每個電源在所有的條件下提供相同的輸出電流，這時，電源電壓輸出的軟特征是不需要的，輸出電壓在任何場合下不受電流大小的影響，所以與被動式均衡電流相比，其輸出電壓精度高，同時與輸出電路的類型無關(guān);但是對于開發(fā)和安裝來說，費用較高，因為在電源內(nèi)部需要一個精確度較高的電流測試線路和一個附加的電流調(diào)節(jié)器，同時也多一個接線端口。PULS電源的SL40.301三相24/40A的電源采用這種技術(shù)，所有的電源經(jīng)過均流線和地線相連接，如圖4所示。

5 導(dǎo)軌式開關(guān)電源的冗余運行模式

為了提高供電電源的可靠性，在許多工業(yè)應(yīng)用場合都采用冗余電源的方案，這就是說在并聯(lián)的電源中至少有一個電源處于后備狀態(tài)。這樣當(dāng)并聯(lián)電源中任一電源發(fā)生損壞時，這個后備電源自動切換到工作狀態(tài)，已保證并聯(lián)電源繼續(xù)提供設(shè)計的總功率，這種冗余方案稱為N+1冗余，為了進行更高地提高可靠性，也可采用N+M的冗余方案，所有M個電源都處于后備狀態(tài)，即使M個電源發(fā)生故障時，并聯(lián)電源仍能正常工作，提供給負(fù)載所需的功率。為了保證冗余電源運行模式的高可靠性，其電路的設(shè)計要考慮的問題比一般并聯(lián)電源的方案多得多。比如說，必須考慮任何一個電源不應(yīng)長期在功率極限或電流極限狀態(tài)下工作。這樣產(chǎn)生的熱量會影響壽命和提高損壞的概率，在最壞的狀況下，冗余決不允許輸出回路的電壓短路的現(xiàn)象出現(xiàn)，這會引起負(fù)載回路的短路，完全不能實現(xiàn)冗余功能。因此為了100%地實現(xiàn)冗余功能，各個電源之間必須互相隔離，這一般可采用串接一個隔離二極管來實現(xiàn)，如采用PULS公司生產(chǎn)的SLR01、SLR02隔離二極管模塊。同時PULS公司還生產(chǎn)將隔離二極管集成在開關(guān)電源的冗余電源，如PULS公司的SLR2、SLR5和SLR10的冗余電源。在實現(xiàn)冗余工作方案是，必須考慮設(shè)備的檢測能力，以提高系統(tǒng)工程的安全性。當(dāng)冗余電源中任何一個電源出現(xiàn)故障時，必須要有一個顯示信號，及時地觀察到哪個電源壞了，以便盡快地進行現(xiàn)場處理。因此冗余電源中，任一電源的工作狀態(tài)需有一個檢測裝置。PULS公司的隔離二極管模塊上都有各個電源的狀態(tài)顯示燈，并有一個與控制器相連接的斷電器觸點。能將電源的工作狀態(tài)及時地送入控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)監(jiān)控。在制定冗余電路方案時，電源的輸入電壓與電網(wǎng)連接時，冗余電源的輸入電源應(yīng)連接在不同的相線上，這樣當(dāng)一個相線出現(xiàn)問題時，連接在其他相線上的電源仍能繼續(xù)工作，這樣大大提高了冗余電源系統(tǒng)的可靠性。對于三相電源來講，開關(guān)電源必須具有缺相工作功能，即三相電源能在兩相狀態(tài)下工作，以提供冗余電源的可靠性。

圖5表示了一個采用PULS電源實現(xiàn)的5+1的冗余電源的方案。其輸出功率為3 600W/24V/150A的并聯(lián)式冗余電源。這個方案采用了6個SL30.100和3個SLR02的冗余模塊。3個SLR02的冗余模塊將所有的電源工作狀態(tài)串接起來，成為一個綜合信號送入控制系統(tǒng)進行監(jiān)控。每個SLR02的冗余模塊都能顯示所連接的電源工作狀態(tài)，隔離二極管也防止了輸出回路的短路現(xiàn)象的出現(xiàn)。

6 結(jié)語

本文對如何正確采用導(dǎo)軌式開關(guān)電源并聯(lián)和冗余技術(shù)，對各種可能在實際應(yīng)用發(fā)生問題作了探討。值得一提的是，最近德國PULS普世電源公司推入市場的DIMENSION概念性電源，不僅其效率高> 95%，體積小，比一般同類導(dǎo)軌式開關(guān)電源小60%以上，引起了市場巨大的反響，同時它獨創(chuàng)的超強的過載能力不僅解決了瞬時過載問題，而且在實現(xiàn)并聯(lián)和冗余功能中遇到的不同啟動時間問題，突變輸出負(fù)載的問題，被動式均衡并聯(lián)輸出電壓變動問題，主動式均衡并聯(lián)電路設(shè)計復(fù)雜問題，乃至冗余電路可能發(fā)生的短路問題都成功地得到了解決。該產(chǎn)品無疑大大的方便了用戶的使用，又大大提高了系統(tǒng)的可靠性，在導(dǎo)軌式開關(guān)電源技術(shù)的新開發(fā)的道路上又領(lǐng)先了一大步。