- 工業(yè)應(yīng)用場合的特殊性使得工業(yè)電源需要滿足更苛刻要求
- 如何綜合考慮多方面因素，更好地把握工業(yè)電源的設(shè)計
- 超級電容在工業(yè)電源方面的妙用
- 工業(yè)電源的可靠性設(shè)計
總之，在工業(yè)場合，電源系統(tǒng)在各方面都有更高的需求，而這樣的需求正在通過不斷進步的技術(shù)和完善的電源模塊設(shè)計越來越好地被滿足。例如，越來越多的工業(yè)模塊電源正向器件發(fā)展。隨著模塊工業(yè)電源集成化和一致性設(shè)計的推進，模塊的應(yīng)用也日趨標準化，應(yīng)用電路越來越簡單，選型也變得相對容易。各模塊工業(yè)電源廠商已經(jīng)開始進行器件和電路的整合來盡量降低成本，提高競爭力。
本期專題，我們就將焦點對準工業(yè)電源的應(yīng)用設(shè)計和趨勢，看看應(yīng)該如何綜合考慮多方面因素，更好地把握工業(yè)電源的設(shè)計。
超級電容正在越來越多地用于工業(yè)電源系統(tǒng)
超級電容在工業(yè)電源系統(tǒng)中的使用越來越多。它的功率密度表現(xiàn)非常突出，還具有循環(huán)壽命長、功率密度大、充放電速度快、高溫性能好、容量配置靈活、環(huán)境友好免維護等優(yōu)點。但目前單體電容器電壓偏低，僅為1～3V，故必須采用多個電容器串并聯(lián)，構(gòu)成超級電容器儲能組以滿足電壓能量的等級要求。
超級電容儲能系統(tǒng)原理圖如下。當向電極充電時，處于理想極化電極狀態(tài)的電極表面電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使這些離子附于電極表面上形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。由于兩電荷層的距離非常?。ㄒ话?0.5mm 以下），再加之采用特殊電極結(jié)構(gòu)，使電極表面積成萬倍的增加，從而產(chǎn)生極大的電容量。
圖1：超級電容儲能原理圖
超級電容在工業(yè)方面的兩個典型應(yīng)用包括：
1）可再生能源發(fā)電系統(tǒng)/分布式電力系統(tǒng)
在可再生能源發(fā)電或分布式電力系統(tǒng)中，發(fā)電設(shè)備的輸出功率具有不穩(wěn)定性和不可預(yù)測性的特點。采用超級電容器儲能，可以充分發(fā)揮其功率密度大、循環(huán)壽命長、儲能密度高、無需維護等優(yōu)點，既可以單獨儲能，也可以與其他儲能裝置混合儲能。超級電容器與太陽能電池相結(jié)合，可以應(yīng)用于路燈、交通警示牌、交通標志燈等。超級電容器還應(yīng)用于風力發(fā)電、燃料電池等分布式發(fā)電系統(tǒng)，可以對系統(tǒng)起到瞬間功率補償?shù)淖饔?，并可以在發(fā)電中斷時作為備用電源，以提高供電的穩(wěn)定性和可靠性。
2）變頻驅(qū)動系統(tǒng)的能量緩沖器
超級電容器與功率變換器構(gòu)成能量的緩沖器，可以用于電梯等變頻驅(qū)動系統(tǒng)。當電梯上升時，能量緩沖器向驅(qū)動系統(tǒng)中的直流母線供電，提供電機所需的峰值功率；在電梯減速下降過程中，吸收電機通過變頻器向直流母線回饋能量。
在太陽能LED路燈系統(tǒng)中，超級電容就充當了重要的一部分。由光伏電池陣列、光伏控制器、超級電容、充電控制器、蓄電池、電流變換器、LED負載組成，連接結(jié)構(gòu)如下圖所示。超級電容跨接在直流母線和地線之間，用于保持直流母線的電壓，并緩沖光伏電池提供的過大能量，在適當?shù)臅r候放電以滿足蓄電池的充電需要和負載的供電需要。
圖2：應(yīng)用了超級電容的太陽能LED路燈系統(tǒng)
另一個應(yīng)用實例就是智能水表。傳統(tǒng)的智能水表在控制水閥開啟和關(guān)斷時，普遍采用的方法是內(nèi)裝鋰電池。鋰電池的優(yōu)點在于重量輕、能量大、自放電率低等。雖然如此，由于智能水表都沒有設(shè)計再充電電路,鋰電池使用到一定時間后,將無法為控制電路提供能量,不得不更換電池。上門為用戶更換電池或水表,這對于水表生產(chǎn)廠家和自來水公司來說都是一件繁瑣的事。更危險的是，電池電量不足的情況出現(xiàn)是隨機的，如果不精確和及時的監(jiān)測電池電量,將無法可靠的關(guān)斷水閥,造成無法計費、逃水現(xiàn)象等情況出現(xiàn)。為了解決這一制約智能水表發(fā)展的瓶頸問題，已有不少廠家嘗試一種全新的方案,那就是用超級電容代替鋰電池應(yīng)用于智能水表。超級電容是近幾年才批量生產(chǎn)的一種無源器件，介于電池與普通電容之間,具有電容的大電流快速充放電特性,同時也有電池的儲能特性，并且重復(fù)使用壽命長，放電時利用移動導(dǎo)體間的電子(而不依靠化學(xué)反應(yīng))釋放電流從而為設(shè)備提供電源。
延伸閱讀：
超級電容在太陽能路燈設(shè)計中的應(yīng)用：http://hiighwire.com/art/artinfo/id/80011588
超級電容在智能水表中的應(yīng)用方案：http://hiighwire.com/art/artinfo/id/80014256
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工業(yè)電源的可靠性設(shè)計
元器件直接決定了電源的可靠性，為剔除不符合使用要求的元器件，包括電參數(shù)不合格、密封性能不合格、外觀不合格、穩(wěn)定性差、早期失效等，應(yīng)進行篩選試驗，這是一種非破壞性試驗。通過篩選可使元器件失效率降低1~2個數(shù)量級，當然篩選試驗代價(時間與費用)很大，但綜合維修、后勤保障、整架聯(lián)試等還是合算的，研制周期也不會延長。電源設(shè)備主要元器件的篩選試驗一般要求包括：電阻在室溫下按技術(shù)條件進行100%測試,剔除不合格品；普通電容器在室溫下按技術(shù)條件進行100%測試,剔除不合格品；接插件按技術(shù)條件抽樣檢測各種參數(shù)。
在設(shè)計方面也要注意，開關(guān)管選用MOSFET能簡化驅(qū)動電路,減少損耗；輸出整流管盡量采用具有軟恢復(fù)特性的二極管；應(yīng)選擇金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件.禁止選用塑料封裝的器件；設(shè)計時盡量少用繼電器,確有必要時應(yīng)選用接觸良好的密封繼電器；吸收電容器與開關(guān)管和輸出整流管的距離應(yīng)當很近，因流過高頻電流，故易升溫，所以要求這些電容器具有高頻低損耗和耐高溫的特性。
經(jīng)常被人忽略的還有是印刷電路板的可靠性問題。照目前的趨勢看，印刷電路板的面積越縮越小，但需要處理的電流量則越來越大，因此電流密度的增加可能會引致隱蔽式或其他通孔無法執(zhí)行正常功能。
當然為了保證可靠性，必須要考慮到保護電路。下面是一種較為完善的保護電路。借助它我們可以很容易地構(gòu)成輸入過/欠壓保護，輸出過/欠壓保護，以及過熱保護。
圖3：電源保護電路圖
T1為鑒流線圈，初級線圈以半匝串接入主振蕩管的D極（場效應(yīng)管）或C極（晶體三極管）。這樣接的最大好處在于，首先鑒流線圈能最大程度地感應(yīng)到主振蕩管電流的變化情況，其次，鑒流線圈后級接法基本上是通用型PWM整流、濾波線路。和一般鑒別電源總電流的方法相比，鑒流輸出功率大，易于后級的再處理；鑒流輸出的電壓VOP1隨電源輸入電壓變化較小，其值主要取決于振蕩管上的電流脈動波形的積分。這樣就對輸入電壓的低端與高端能得到基本相同的過流保護特性。
延伸閱讀：
生產(chǎn)環(huán)境對電源模塊可靠性的影響：http://hiighwire.com/art/artinfo/id/80001400
高性能電源保護電路：http://hiighwire.com/art/artinfo/id/80014366
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邁向綠色的工業(yè)電源
節(jié)能型電源是大勢所趨，而近幾年來，“能源之星”的實施對設(shè)計和制造高性能的節(jié)能型電源起到了推波助瀾的作用；國際能源署(IEA)倡導(dǎo)的“1瓦計劃”提出在2010前，要將所有電器的待機能耗降至1瓦以下；80 PLUS標準要求臺式PC機的效率在不同負載條件下都要高于80%；歐洲IEC555管理條例規(guī)定，功率超過75W的產(chǎn)品就需要增加PFC；美國加州能源委員會(CEC)則出臺了針對外部電源的強制性能效標準。工業(yè)電源中使用的各種產(chǎn)品如IGBT模塊、電容、電阻等元器件當然也正順勢而動，朝著綠色的方向邁進。
在AC/DC轉(zhuǎn)換的其方面，效率既與原材料本身相關(guān)，也涉及設(shè)計復(fù)雜程度和設(shè)計技巧的問題。針對具體功率應(yīng)用需求選擇合適的工作模式，優(yōu)化材料的選用并采用合適的設(shè)計技巧，能夠有效地提升轉(zhuǎn)換效率。除了采用損耗較低的器件，改善AC/DC電源性能主要可利用諧振轉(zhuǎn)換、同步整流等技術(shù)來實現(xiàn)。也可以通過新型的PFC結(jié)構(gòu)提高效率，如無橋PFC和交錯式PFC等。交錯式PFC控制器可幫助設(shè)計人員簡化電源設(shè)計，提高系統(tǒng)可靠性，實現(xiàn)更高的功率因數(shù)與額定效率。
對于DC/DC轉(zhuǎn)換器而言，開關(guān)損耗是決定其能效的關(guān)鍵因素之一。軟開關(guān)技術(shù)或者低柵電荷FET開關(guān)等都是降低開關(guān)損耗的有效手段。此外，當負載很小或處于空載待機狀態(tài)時，可利用新型的工藝和控制方法(如SMARTMOS硅片工藝、脈沖跳頻技術(shù)、突發(fā)模式等)實現(xiàn)待機電流的最小化，從而使DC/DC轉(zhuǎn)換器在整個負載范圍內(nèi)保持高效率。
從電源架構(gòu)入手是改善能效的另一種途徑。電源架構(gòu)的功效取決于系統(tǒng)級需求、采用的元件和設(shè)計拓撲。目前分布式架構(gòu)應(yīng)用得十分廣泛，這種架構(gòu)具有最優(yōu)的調(diào)整精度和瞬態(tài)響應(yīng)，可以向負載提供更好的加載和線性調(diào)整率以及良好的EMI性能。另一方面，根據(jù)系統(tǒng)的大小，規(guī)劃混合型的總線結(jié)構(gòu)也能降低系統(tǒng)風險和成本。
延伸閱讀：
綠色開關(guān)電源設(shè)計需注意的要點：http://hiighwire.com/art/artinfo/id/80009766
中小功率綠色開關(guān)電源設(shè)計與研究：http://hiighwire.com/art/artinfo/id/80012144
