电流馈电功率处理——故障穿越的稳健性

本文由Magna-Power Electronics撰写，最初发表于IEEE Power Electronics Magazine 2019年3月刊。

鉴于过去20年取得的进步，为特定应用选择最佳功率变换器拓扑结构可能令人感到无从下手。这些进步中有很多是通过更优秀的半导体开关实现的，它们提供了更快的开关速率、更低的导通电压、更低的功率损耗、更低的驱动功率需求等。选择最佳功率变换器拓扑结构必须在应用需求与成本、尺寸/封装、效率和稳健性等优先考量之间取得平衡。Magna-Power Electronics（Magna-Power）是一家位于美国新泽西州弗莱明顿的可编程直流电源产品制造商，该公司在拓扑选择中将稳健性置于优先地位。这一拓扑选择源于客户对在严苛工业环境中实现高可靠性的需求。
由于Magna-Power的产品经常被用于实验性、原型验证应用，客户满意度要求功率变换器在远超典型工况的条件下保持一致的性能。在已出货的数以万计的电源中，绝大多数现场故障来源于客户的不当使用，例如：

• 腐蚀
• 异常输入电压，如雷击、电力线瞬变和电力线谐波
• 输出端滥用，如反馈电压和过大的交流电流
• 在异常环境中对电磁干扰的敏感性
• 电源在设备机柜中安装不当，导致气流受限和过热。

提高可靠性的典型方法包括实施n + 1冗余和降低平均故障间隔时间。如果故障原因来自外部条件，这些技术只能部分改善长期可靠性。例如，放置在工业环境中、承受高输入电压瞬变的电源，使用具有更高阻断电压额定值的输入整流器会更加可靠。在这种情况下，通过使用更高电压等级的器件来提高可靠性，比采用元器件额定值较低的冗余电源更为有效——因为它们都会因相同的外部环境条件而失效。即使运行被暂时中止，能够经受住异常外部影响也远好于产品失效后依赖备用设备。

Magna-Power的关键目标之一是开发能够穿越潜在破坏性工况的功率电路。强大的故障穿越能力，即抗故障能力，可以降低现场退货率、减少昂贵的维修费用，最重要的是维护客户满意度。故障保护无法在所有条件下实现，但了解设计中的薄弱环节可以更好地理解可能的改进方向。
大多数1 kW及以上功率范围的电源设计使用电压馈电拓扑或类似的衍生结构。如图1所示，输入级是一个直流源，馈入电容器、桥式逆变器、用于电气隔离的变压器、输出整流器和电感-电容低通滤波器。该设计的薄弱环节在于桥式逆变器。如果其中一个器件失效或误导通，其后果可能非常严重：其他桥式逆变器器件失效、起火以及周围电路损坏。如果桥式逆变器电路的开关不能实现近乎完美的伏秒平衡，变压器铁芯将会饱和，可能导致类似的失效情况。

电压馈电变换器的故障检测技术已取得了显著进步。然而，保护方案仍需在微秒级别内动作。此类故障与温度和器件特性相关。保护技术的进步包括利用反饱和检测电路进行导通状态检测，以及限制变压器峰值电流以防止铁芯饱和的电流模式控制器。任何导致错误开关状态的外部影响都可能造成潜在失效，而几乎没有时间采取纠正措施。

电流馈电变换器

图2展示了电压馈电变换器的电学对偶，即电流馈电变换器。电流馈电拓扑已经存在很长时间了，但由于需要创建电流源输入且成本较高，加上对低漏感变压器的要求，它很少被商业化应用[1]。电压馈电变换器和电流馈电变换器之间的差异非常微妙。电压馈电桥式器件绝不应短路输入直流母线，而电流馈电桥式器件则绝不应开路输入直流母线。其次，电压馈电变换器的输出电感L1位于变换器的输出侧，而在电流馈电变换器中则位于输入侧。

如图3所示，电流源输入的需求可以通过用作电压-电流变换器的降压变换器（Buck变换器）或斩波器来实现。虽然这确实是该拓扑的一个不足之处，但这一附加级可以用于两个变换级之间的保护。

逆变级的主要功能是电气隔离和电压变换，应以接近50%的占空比运行。该级可以在较低的开关频率下运行，而动态性能几乎不会下降。变换器的所有控制均由降压变换器级完成。变压器T1的低漏感阻抗确保了高变换效率和低输出电压纹波。在两个逆变桥臂换相期间，逆变器两端的直流母线短路，电流被阻止流过输出级。

对于电流馈电变换器，保护任何半导体器件的时间取决于降压变换器的开关周期和电感L1的设计；这两个参数决定了防止电感L1铁芯饱和所需的时间。对于工作在20 kHz的降压变换器，典型的10 μs周期可以轻松地在正常工作范围内保护受控半导体器件。这种保护可以在逆变器或降压半导体开关发生错误开关状态、变压器短路或输出二极管短路时施加。在故障条件下，桥式逆变器两端的直流母线电压跌落，保护其余器件免于灾难性失效。由于直流母线电流被降压变换器限制并维持在设定的电流水平，变压器T1的铁芯饱和几乎不可能发生。

有了充足的时间，可以设计故障保护电路，使逆变级通过降压变换器级获得保护，同时降压变换器级通过逆变级获得保护。此外，受控半导体开关的失效电流由降压变换器限制，从而防止灾难性故障。由于保护时间充裕，不需要特殊的反饱和检测电路。

电流馈电拓扑的另一个特性是可扩展到更高功率、更大物理尺寸的系统。在电感L1上串联少量额外电感对系统性能几乎没有影响。各级可以轻松并联，无需过多关注引线电感。

尽管电流馈电设计具有诸多优势，电压馈电设计在行业中仍然更为普遍。电压馈电拓扑确实少需一个功率变换级，且磁性元件更少。这两项优势都会对成本和效率产生影响。在功率较低（1 kW及以下范围）时，制造单板电源可以更具成本效益。许多制造商将相同设计的多个组件并联以实现更高功率，但这种设计因额外的元器件数量而可能对系统可靠性产生不利影响。

电流馈电变换器的挑战

在竞争激烈的市场中，制造电流馈电变换器面临诸多挑战。额外的功率变换级占据了物理空间，并伴随相应的材料成本。由于设计的对偶特性，传统控制电路无法直接使用，这些电路需要用更少的集成器件进行设计。针对极低漏感设计的变压器需要特殊的铁芯结构。更紧凑的封装和专用磁路的要求促使Magna-Power Electronics对其制造运营进行了垂直整合，以尽量减少外包并优化设计。

如今，Magna-Power Electronics在公司内部制造所有组件。这一决策帮助公司在全球市场中保持竞争力，使其能够实现电流馈电拓扑，同时提高质量并缩短交货时间。制造运营包括钣金加工、粉末喷涂、机器人散热器和紧固件装配、自动化表面贴装和通孔印刷电路板组装、磁性元件绕线和铁芯制造、计算机数控加工、线束制造、最终装配和测试。

参考文献

[1] I. Abraham, Pressman: Switching Power Supply Design, 2nd ed. New York: McGraw-Hill, 1998.