在恶劣环境中获得AC至DC电源的最佳性能
引言
AC至DC电源广泛应用于需要将交流电网电力转换为固定或可变直流电压或电流的负载场合。虽然此类设备的输入和输出连接较少，但工程师在特定环境中获得可靠性能时常常面临困难。问题可能涉及交流电源质量、散热限制、控制布线、空气质量或用户对电力转换产品的理解。本文介绍了一些常见的问题，并提供了如何在特定应用中获得最佳性能的见解。
电力线路质量
交流电网
将AC至DC电源连接到电网，出人意料地成为一个常见的问题来源。全球各地的电网电压各不相同，从日本的200 VAC到荷兰的696 VAC不等。线路频率在50至60 Hz之间变化，但对于当今的开关电源，频率通常对性能影响不大。
每年Magna-Power Electronics都会收到客户因连接到错误的交流电网电压而导致电源故障的技术支持电话。阅读电源后盖上的规格标签并测量施加的电压，可以防止灾难性的高代价故障。
电能质量，即施加到电源上的电压纯度，可能是一些意外行为的根源。配电系统及其相关的变压器和配电阻抗，会因电网上的其他负载而产生电压降或电压浪涌；这些负载可能产生谐波电流循环，并激发电感和电容元件之间的谐振。具有6脉冲波形的工业电源具有较强的5次和7次谐波分量。可再生能源及其相关的电力转换设备也会影响施加到电源上的电压。
如上所述的谐波以及交流电网上的电压瞬变可能损坏电力转换电路的前端。电压瞬变可以通过压敏电阻或其他电压钳位器件来抑制，但这些器件也有其局限性——它们只能吸收有限的能量。电力线路谐波可能具有更大的破坏性，因为这些电压偏移持续时间更长。为了解决这类问题，Magna-Power Electronics使用额定电压为1600V的前端元件。该电压额定值足以应对除雷击以外的大多数电力线路条件。
相序是三相电源的线路电压相位关系。虽然有相关标准，但工业设施中的相位关系可能有所不同。相序不正确时，电机可能反转，使用SCR的电源可能发生误触发。现代SCR电力处理设备通过感测和校正相序变化来规避SCR触发电路问题。
接地
在工业安装中经常遇到接地问题。许多电气承包商对正确接地理解不足，在很多情况下，经常可以发现不连续的接地连接。电源接地的主要目的是确保安全和抑制EMI。接地使保护外壳与周围设备之间保持安全或接近零的电压差。在电源内部，接地连接与EMI滤波器配合使用，将电流的高频分量从输入和输出连接处引导开，使其保持在电源外壳范围内。
根据电气规范和安全角度，应只有一个接地连接；该接地连接应在建筑物的电气入口处，即计量设备所在位置进行。在此处，地线和中性线连接在一起，并将接地棒打入地面。如果设施的设备接线正确，接地通路中应只有微小的电流流过。在遭受雷击时，整个设施升至相同的电位，从而保护设备或人员免受危险的电压差影响。
不幸的是，并非所有电力系统都按照规范接线，一个常见的问题是用于计算机和仪表设备的接地与电力设备的接地电位不同。虽然Magna-Power Electronics电源尝试适应这种情况，但有时用户设备与电力设备之间不良的接地连接会导致电源出现异常行为。最常见的问题是电源与计算机设备之间的通信中断。在大多数情况下，将用户接口设备与电源之间的接地进行等电位连接可以纠正此问题。
某些应用需要连接外部监控或控制电路。许多（如果不是大多数的话）电源的误差和反馈电路以输出端子为参考。如果没有适当的隔离措施（如光耦隔离器），当外部电路和电源负载都接地时，可能会产生接地环路。如果外部电路接地而电源负载悬空，可能导致控制误差。在这种情况下，传导EMI会被引导至外部电路的接地引线。
Magna-Power Electronics通过将所有控制电路置于接近地电位的位置，规避了许多接地问题。接地参考通过一个电阻和并联电容器的连接来建立。这些元件使电源和外部连接电路在不良接地环境中得到保护，同时提供适当的阻抗来抑制EMI。
即使电力系统正确接地，产生EMI的干扰源在接地电路中产生电位差也可能导致问题。接地电路的阻抗随频率增加而升高，EMI源根据其在电力系统中的位置，可能在外部监控和控制电路之间引入电压。与不良接地情况一样，将外部设备与电源进行等电位连接可以缓解此类电气噪声问题。
环境
电源包含产生热量的元件：变压器、电感器、功率半导体等。无论效率多高，所有这些元件都需要散热。较小的电源有时依靠自然对流散热，但较大的设备需要强制风冷或水冷。水冷机组非常适合空气质量差的应用场合，或无法满足气流要求的高密度机架安装。用户造成的散热问题是Magna-Power Electronics现场故障退货的主要原因。
风冷
对于需要强制风冷的电源，堵塞通风口、空气质量差以及机柜外壳中的气流限制都可能导致热问题。堵塞通风口显然会导致设备故障。在关键元件上放置温度传感器有助于检测此类问题，但实际能做的是有限的。避免堵塞外壳通风口可确保设备达到制造商预期的使用寿命。
将电源放置在设备机柜中也可能导致热问题。电源内部所需的气流量在机柜内部也需要同样保证。设备机柜的自身发热是一个常见问题。进气口和排气口位置不当会导致热空气被反复加热而无法排出到外部。设备机柜散热的稳妥方法是将进气口设置在机柜底部，并在机柜顶部放置额定风量（立方英尺每分钟）相同的风扇。为了最大限度减少风扇压力和气流限制，机柜底部的通风口面积应等于顶部的通风口面积。
空气质量差的环境中的污染物通常会进入电源外壳内部。印刷电路板设计用于承受有时高达数千伏特的电压。灰尘、油漆和其他颗粒物的沉积可能导致电气击穿。在外壳内安装空气过滤器来净化进入的空气可以减少此问题，但过滤器的不当清洁又会带来另一个问题。在空气质量差和过滤问题之间几乎没有好的折衷方案。在环境条件极差的情况下，密封电源并采用水冷是热管理和获得可靠运行的最佳替代方案。
水冷
在恶劣环境中采用水冷可以解决许多应用问题。Magna-Power Electronics使用温度传感器控制水流量，以防止散热器组件中产生冷凝。遵循制造商关于水温、流量和压力的规格要求，对于水冷设备的正确运行至关重要。
排出的热水可以通过热交换器（水-空气或水-水）在闭环系统中冷却，或在开环系统中排放。
用户连接
控制和监测连接
许多应用需要外部设备来监测和控制电源参数。除了确保电气连接不超过制造商的额定值外，电缆的布置也至关重要。AC至DC电源输入和输出端子上的电压和电流包含瞬变、EMI和谐波等高频分量。将控制和监测电缆与电力电缆平行布置可能产生不可预测的结果。建议将所有控制或监测电缆单独布线，如有可能，使用独立的金属导管。
远程感应连接
输出电压或电流的调节取决于对所需输出参数的采样，并将其调整到比较参考值。参考值和输出采样参数都可以在电源外部。远程感应输出电压通常用于最大限度减少连接到负载的引线上的电压降。正确使用时，远程感应可在负载端提供出色的调节性能。
切换远程感应连接，或将电源配置为远程感应模式但不连接远程感应引线，是一种常见但错误的配置。在不采样输出参数的情况下运行电源，可能损坏电源中的输出元件或损坏负载。没有可控制的输出参数时，反馈电路会将输出电压或电流驱动到最大值。最大的非稳压输出可能超过电源元件的安全输出额定值。
解决这一潜在问题的常见方法是在输出端子和远程感应端子之间添加电阻。将电源配置为远程感应模式并移除远程感应引线，会导致输出电压略高于标称条件。高于标称条件的偏差取决于电源内部的本地感应电阻。
当远程感应引线和电力引线被切换时，远程感应可能出现复杂的问题。图1显示了一个常见但错误配置的系统应用；输出端子定义为VO+和VO-，电压感应端子定义为VS+和VS-。此配置用于使用同一电源将电力和远程感应引线切换到不同的负载。电子反馈电路通常比机械继电器和接触器的切换速度更快，在切换瞬间，电源在没有感应输出的情况下运行。此配置的另一个问题是仅连接感应电路运行电源，即继电器K2接通、继电器K1断开。这实际上会通过负载短接感应引线连接。这导致保护电阻R1和R2在电源以最大功率运行时与负载串联。
Magna-Power Electronics采用了另一种远程感应保护方法，但它也有一些缺点。如图2所示，远程感应电压（VSX+减去VSX-）在上电周期开始时通过电源内部的电子开关进行检测。电源在上电周期开始时使用本地感应。然后以快于反馈系统响应速度的速度切换到远程感应端子，以确定远程感应引线是否连接到负载。如果检测到电压存在，电源保持远程感应配置；否则，重新建立本地感应连接。该方案运行良好，除非用户在上电周期后切换或移除远程感应连接。
恶劣负载条件
输出电流纹波
AC至DC电源通常在输出端子之间连接有电容器。这些电容器提供了旁路通道，用于减少电力转换过程中产生的不需要的交流电流。这些电容器具有内部串联电阻，当承受交流电流时会产生功率损耗并产生热量。
如果来自负载的交流电流叠加到电源产生的交流电流上，将电容器电流维持在可容许范围内就可能成为一个问题。当开关型负载（如降压转换器）连接到电源的输出端子时，就可能产生此类情况。如图3所示，电源将吸收一部分交流负载电流，其大小取决于电容器C1和C2的内部串联电阻R1和R2的比值。
重复短路操作
与过大的输出电流纹波类似，输出电容器（特别是铝电解电容器）可能因短接电源输出端子而损坏。峰值电流仅受输出电容器内部串联电阻加上连接电缆引线阻抗的限制。存储在电容器中的能量以热量形式在电容器内释放；重复短接输出端子可能导致性能退化或灾难性故障。薄膜电容器（如聚丙烯薄膜电容器）具有较低的耗散因子，比铝电解电容器能承受更多的恶劣条件，但这些电容器在相同体积下的电容量较低，会影响滤波性能。输出纹波性能与可靠的重复短路操作之间的权衡是一个设计约束。
反灌电压
直流电源经常连接到具有自身能源的负载，或者连接到产生超过电源额定值的电压和电流的负载。典型例子包括电池负载、直流电机和电机控制器；这些负载能够进行双向电流流动。
将电池连接到电源的输出端子可能导致输出电容器快速充电并产生过大的输出电流。如图4所示，在电源输出和电池之间串联一个二极管D1，可以防止电压反灌到电源的输出端子。将电源配置为在负载端进行远程感应，可以消除二极管的电压偏移。此外，当电源关闭时，二极管可以防止电池通过电源放电。AC至DC电源通常在输出电容器上并联泄放电阻，以在电源关闭时释放存储的电荷。
直流电机和电机控制器的组合在尝试再生能量时可能会反灌电压。如果电源无法耗散能量，其输出电压将悬浮在电机或控制器产生的电压上。如前所述放置二极管，可保护电源的输出不超过其电压额定值。
反向电压
大多数AC至DC电源在最终输出功率处理级采用二极管或同步整流电路配置。这些元件将输出电压在反向方向钳位到几伏特。只要输出电流保持在电源的额定范围内，使电源产生反向电压的负载通常不会对输出级（包括铝电解电容器）造成可靠性问题。施加反向电压源（如电池）如果允许电流超过额定值，可能会损坏输出功率半导体器件。如图5所示，反向电压保护可以通过串联快速熔断直流保险丝F1和浪涌额定值超过保险丝i2t值的二极管D1来实现。采用此保护方案，反向电压连接将通过迫使电流流过保护二极管来熔断保险丝。
