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VICOR電源第二代DC-DC轉(zhuǎn)換器配件模塊-自動(dòng)調(diào)節(jié)整流模塊ARM
VICOR電源設(shè)計(jì)指南和應(yīng)用手冊(cè)-全型、小型和微型系列DC—DC轉(zhuǎn)換器及配件模塊
VICOR電源——廣州源博科技有限公司
自動(dòng)調(diào)節(jié)整流模塊ARM
自動(dòng)調(diào)節(jié)整流模塊(ARM)；是配套Vicor電源 DC—DC轉(zhuǎn)換器的交流前端模塊。以ARM及VICOR DC—DC轉(zhuǎn)換器為核心元件，可以組成高性能的電源系統(tǒng)，并能滿足廣泛的應(yīng)用要求以及達(dá)到各項(xiàng)安全標(biāo)準(zhǔn)。
自動(dòng)調(diào)節(jié)整流模塊(ARM)內(nèi)包含功率開(kāi)關(guān)和控制電路，令Vicor電源模塊可以自動(dòng)調(diào)節(jié)整流、限制涌流及提供過(guò)壓保護(hù)等功能。ARM可監(jiān)察供電情況，啟動(dòng)或關(guān)斷下端的Vicor電源 DC—DC轉(zhuǎn)換器，組成有秩序的電源接通或關(guān)斷順序。利用ARM組成完整的交流前端，用戶只需加入保持電容和一個(gè)含瞬變保護(hù)功能的合適輸入濾波器。
啟動(dòng)時(shí)的情況當(dāng)輸入電源接通時(shí)，限制浪涌電流的正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻的旁路開(kāi)關(guān)打開(kāi)，倍壓整流連接片(strap)在開(kāi)啟狀態(tài)。此外，下端的Vicor電源 DC—DC模塊被使能(EN)線關(guān)斷，母線正常信號(hào)(BOK)在高電平。
電源接通順序(圖7—2)
1．1輸入電源接通后；接在輸出直流母線上的電容器開(kāi)始充電，熱敏電阻限制充電電流，充電時(shí)間常數(shù)由保持電容的容量和熱敏電阻的冷態(tài)電阻決定。當(dāng)電容兩端電壓達(dá)到輸入交流電源電壓的峰值時(shí)，電容電壓與時(shí)間的關(guān)系曲線的斜率(dv／dt)接近于零。
2．1當(dāng)電容兩端電壓曲線的斜率接近于零時(shí)，如果直流母線的電壓低于200 V，倍壓整流電路工作，因此直流母線電壓將按指數(shù)規(guī)律升高到交流輸入峰值電壓的兩倍。如果直流母線的電壓高于200 V，倍壓整流電路就不工作。
3．1電容兩端電壓曲線的斜率接近于零時(shí)，如果直流母線電壓高于235 V，浪涌限流熱敏電阻被旁路；如果直流母線電壓低于235 V，浪涌限流熱敏電阻不被開(kāi)關(guān)旁路。
4．1熱敏電阻旁路開(kāi)關(guān)閉合后，經(jīng)過(guò)～150 ms，轉(zhuǎn)換器模塊被使能開(kāi)始工作。
5．1再經(jīng)過(guò)～150 ms，母線正常信號(hào)變?yōu)榈碗娖健＾D(zhuǎn)換器模塊輸出電壓可以維持在規(guī)格上標(biāo)明的范圍內(nèi)。
電源關(guān)斷順序（圖7—2)
當(dāng)輸入電源被關(guān)斷或失效，由于直流母線電壓下降，將發(fā)生下述過(guò)程：
1．2當(dāng)直流母線電壓低于205 V時(shí)(典型)，母線正常信號(hào)變?yōu)楦唠娖健?/SPAN>
2．2當(dāng)直流母線電壓低于200 V時(shí)，轉(zhuǎn)換器模塊將關(guān)斷。轉(zhuǎn)換器模塊關(guān)斷后，如果重新接通輸入電源，將重復(fù)電源接通順序。如果交流電源發(fā)生瞬時(shí)中斷，并且在直流母線電壓下降到關(guān)斷門(mén)限值以前，交流電源恢復(fù)供電，則不會(huì)重復(fù)電源接通順序。
圖7—2一電源接通關(guān)斷時(shí)穿圖
離線式開(kāi)關(guān)電源配置
在整個(gè)通用輸入電壓范圍內(nèi)，ARM模塊可使直流輸出母線電壓保持在200 V到375 V之間。該輸出電壓范圍可與Vicor電源全型、小型、微型300 V輸入DC—DC轉(zhuǎn)換器，和Vicor電源 VI一26x系列及V J一、J6x系列DC—DC轉(zhuǎn)換器模塊的輸入電壓范圍相配。ARM可根據(jù)交流輸入電壓自動(dòng)轉(zhuǎn)換為整流模式(倍壓整流或非倍壓整流)，從而可以有效地防止開(kāi)關(guān)電源因接入不適當(dāng)?shù)碾娫措妷憾鴵p壞。輸入電壓在90 Vac一132 Vac之間時(shí)，VI—ARM—x1額定功率為500 W，輸入電壓在180 Vac一264 Vac之間時(shí)，Vl—ARM—x1額定功率為。750 W。輸入交流電壓在90Vac一132 Vac之間時(shí)，V J一．ARMB—X2額定輸出功率為750 W，輸入交流電壓在180 Vac一264 Vac之間時(shí)，V J—ARMB—x2額定功率為1，500 W，只要最大功率不超過(guò)上述數(shù)值，這兩種交流前端模塊都可任意與一個(gè)或多個(gè)DC—DC轉(zhuǎn)換器模塊組成開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)。參見(jiàn)VI—ARM數(shù)據(jù)表中的VI—ARMB降額曲線(圖1和2)。連接片(ST)引腳在實(shí)際應(yīng)用中，ARM模塊除了應(yīng)連接輸入和輸出引腳外，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)適應(yīng)輸入電壓范圍的變一化還必須把ST引腳連接保持電容(C1，C2，參看圖7—3)的中結(jié)點(diǎn)。壓敏電阻器提供輸入瞬變保護(hù)。電源關(guān)斷時(shí)。保持電容可通過(guò)泄放電阻R1和R2放電(參看圖7—3)。使能IENl引腳(圖7—4)使能(EN)引腳必須接到所有DC—DC轉(zhuǎn)換器模塊的PC引腳或GATE IN引腳，以便剛接通電源時(shí)，ARM能暫時(shí)關(guān)斷DC—DC轉(zhuǎn)換器模塊，否則保持電容正通過(guò)限流熱敏電阻充電時(shí)，轉(zhuǎn)換器模塊就可能開(kāi)始工作，因而無(wú)法使母線電壓達(dá)到熱敏電阻旁路門(mén)限電壓，結(jié)果是轉(zhuǎn)換器將無(wú)法正常起動(dòng)。使能(EN)引腳輸出(內(nèi)部N一渠道MOSFET的漏極)電壓，在模塊內(nèi)部通過(guò)150 kO電阻升到15 V。為了消除轉(zhuǎn)換器模塊之間可能產(chǎn)生的控制干擾，每只轉(zhuǎn)換器Vicor電源模塊的PC或GATE IN引腳都必須串入一只信號(hào)二極管，并且該二極管應(yīng)當(dāng)盡量靠近PC引腳。電源接通且浪涌電流消失后，使能(EN)引腳與負(fù)輸出引腳之間的電壓升到1 5 V，從而使各轉(zhuǎn)換器模塊開(kāi)始工作。如果直流母線電壓超過(guò)400 V，使能(EN)引腳電壓也可關(guān)斷DC—DC模塊，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器模塊輸入過(guò)壓保護(hù)。發(fā)生輸入過(guò)壓保護(hù)時(shí)，內(nèi)部熱敏電阻旁路開(kāi)關(guān)打開(kāi)，且與輸入電壓串聯(lián)，從而降低母線電壓到一個(gè)安全的水平，壓敏電阻同時(shí)又限制了輸入之電流。因發(fā)生故障或負(fù)載電流過(guò)大使直流母線電壓低于1 80 V時(shí)，熱敏電阻旁路開(kāi)關(guān)也將打開(kāi)作限流保護(hù)。
注意：ARM模塊的輸入和輸出并不隔離，ARM模塊的一Out引腳和下游的DO-DO轉(zhuǎn)換器的-In引腳都在高電平。如需要以控制DC-DC轉(zhuǎn)換器的PC或GATE IN引腳(參考-In)來(lái)提供外在接通／關(guān)斷功能。就要采用一個(gè)光耦隔離器或隔離繼電器。將(2)式重新整理后，可得出所需的電容： 近似的工作紋波電流(rms)由下式給出：
C=2PAt／(V1。一V2。) (3)
電源失效預(yù)警時(shí)間(△t)是指電源中斷告警(BOK)到轉(zhuǎn)換器模塊關(guān)斷之間的時(shí)間，如圖7—7所示。BOK和使能門(mén)限值分別為205 V和190 V。將這些數(shù)值代入公式(3)中，可簡(jiǎn)化電源失效預(yù)警時(shí)間、功率和母線電容之間的關(guān)系：
C=2PAt／(2052—1 902)
C=2PAt／(5,925)
應(yīng)當(dāng)注意，如圖7—3所示，保持電容由C1和C2串聯(lián)組成，每只電容的容量應(yīng)為計(jì)算值的兩倍，但是每只電容所需的額定電壓可減少到200 V。直流母線上允許的紋波電壓(或紋波電流在電容器兩端產(chǎn)生的紋波電壓)，也可影響保持電容所需的電容量。還應(yīng)當(dāng)考慮給定轉(zhuǎn)換器的紋波抑制比和最終的輸出紋波電壓。
例如，轉(zhuǎn)換器輸出電壓為15 V，額定輸入電壓為300 V時(shí)，紋波抑制比將為56 dB，即輸入紋波電壓10 V峰一一峰值將產(chǎn)生輸出紋波電壓15 mV峰一峰值。(圖7—1 1)公式(3)仍然適合于計(jì)算保持電容所需的容量，在這種情況下，V1和V2分別為紋波電壓峰值和谷值處的母線電壓瞬時(shí)值(圖7—7)。在經(jīng)整流的市電電壓的兩個(gè)峰值之間的時(shí)間間隔△l內(nèi)，保持電容必須保持規(guī)定的母線電壓，△t可由下式給出：
△t=(丌一e))／2丌f
式中：f=交流市電的頻率
e=整流器的導(dǎo)通角
近似的導(dǎo)通角可由下式給出：
e=COS一(V2／V1)
選擇保持電容時(shí)，還應(yīng)當(dāng)考慮額定紋波電流的額定電流值必須大于最大工作紋波電流。
rms=2P／Vac (6)
式中：P=總輸出功率
Vac=市電電壓
保持時(shí)間、過(guò)渡時(shí)間和要求的紋波電壓與母線電容容量的關(guān)系分別如圖7—8、7—9和7—1 0所示。
實(shí)例
在該實(shí)例中，在負(fù)載端的輸出電壓為12 V，輸出功率為320 W。假設(shè)轉(zhuǎn)換器的效率為85％，Vicor電源 ARM模塊的輸出功率應(yīng)為375 W e，在90—264 Vac輸入電壓范圍內(nèi)，所需的保持時(shí)間為9 ms。決定電源失效預(yù)警時(shí)的電容容量給定電源失效預(yù)警時(shí)間和輸出功率時(shí)，可根據(jù)圖7—8決定保持電容的容量，可以看出，母線電容的總?cè)萘恐辽賾?yīng)為820 uF，由于兩只電容串聯(lián)，所以每只電容的容量至少應(yīng)為1，640 pFo
注意：預(yù)警時(shí)間與輸入電壓無(wú)關(guān)。保持電容值計(jì)算器可見(jiàn)決定過(guò)渡時(shí)間如圖7—9所示，過(guò)渡時(shí)間是市電電壓和輸出功率的函數(shù)。從圖7—9可以看出，額定市電電壓為1 15 Vac時(shí)，過(guò)渡時(shí)間為68 ms，應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，過(guò)渡時(shí)間為市電電壓的函數(shù)。決定保持電容兩端的紋波電壓如圖7—10所示，紋波電壓是輸出功率和母線電容的函數(shù)。可以看出，保持電容兩端的紋波電壓為12 V峰一峰值。如有技術(shù)問(wèn)題也可聯(lián)系VICOR工程師。
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