安全、高效的PULS普尔世MOSFET冗余模块系列

一旦故障发生在工作的24V直流电源上，随之产生的后果可能是毁灭性的。因此在例如控制、测量之类“安全第一”的应用场合，冗余系统就显得至关重要了。所谓冗余系统，是指并联连接的两台电源，其中每台电源都能够独立为整个系统供电。PULS普尔世工控电源有着丰富的标准品电源产品线，能够灵活组建各种冗余系统，其久经市场验证的标准产品能够确保系统安全、可靠地运行；另一方面，由于采用了创新的技术，普尔世也从根本上将冗余系统的转换效率提升到了一个新的高度。

图1   采用MOSFET技术的全新冗余模块构建的冗余系统

当标准电源之间进行冗余切换时，在传统的冗余系统中，电源的输出端必须安装二极管，这样做是为了防止冗余系统中一台电源的电流反馈到另一台电源的输出端，确保解耦。但是二极管解耦也有不完美的地方，那就是在两个二极管中会产生相当可观的功率损耗。一个20A负载的冗余系统中，每个二极管上发生的能量损耗大约为10W，而这种情况下就不得不借助大型散热片来缓解系统发热的问题。

在冗余系统方面的改善，可总结出包含以下十点的愿望清单：

1）  安全运行

2）  降低损耗

3）  简化操作

4）  忍受负载反馈能量

5）  短路保护能力

6）  电流均衡分配

7）  电源故障信号

8）  输入极性反接保护

9）  报错

10）热插拔

设备间的解耦

目前常用的冗余模块中使用的外延二极管或肖特基二极管会造成0.6到0.8伏的电压降，这就导致了在高负载电流的情况下，冗余系统在电柜中会产生大量热量，这些热量必须由电柜中的通风系统发散出去。PULS普尔世工控电源就前文所述的改善冗余系统的愿望清单进行了深入的研究。可以明确的是，只有采用全新的技术，彻底“升级”目前冗余模块的解耦功能，才能够从根本上实现“降低损耗”。这项全新的技术就是MOSFET技术。采用了MOSFET技术的冗余模块系列提供最大电流达到80A的产品，这些产品都能够满足低功耗的重要标准。而且很显然，新的冗余模块也同时满足愿望清单上的其余9条。图2比较了解耦二极管与MOSFET管在冗余系统中的功耗。当负载电流达到40A时，采用了MOSFET技术的冗余模块仅产生3W的功耗。超低功耗使得设计一款宽度仅36毫米的紧凑型DIN导轨式冗余模块不再是问题。用户只需要把两台电源的输出端接入冗余模块的输入端，就能够从冗余模块的输出端得到安全的电源供给。

图2   左：冗余模块解耦功能示意图；右：冗余模块YR80.241输出电流-功耗曲线

棘手难题——短路

到这里，熟悉电路的读者一定会说，MOSFET也没什么大不了的吧。确实，如果只考虑正常运行的话，它不过是个普通的元器件。不过当发生短路，或者甚至当发生冗余电源电极逆转时，情况可就没这么简单了。当负载短路，电源电压骤降，冗余模块的输入端几乎得不到任何有用的电压。然而如果冗余模块中的MOSFET管没有被激活，就不能令短路电流以低损耗流过，当这个电流流过MOSFET管中的寄生二极管时，产生的功耗是原来的15倍，从而摧毁MOSFET管。为此，普尔世进行了针对性的研究，改进了电路。在新的电路中，即使是微量的残余电压也能正确激活MOSFET管。当一些更加危急的情况发生，比如电源接入已经发生短路的电路，或者输入电压被施加反极性，新的电路也有能力应对这些极端的险情。

紧凑的组合

普尔世一直在致力开发体积更小的电源及模块。直到不久前，还能找到某厂家的单台40A电源在DIN导轨上占用的空间比今天的整个普尔世冗余系统所占空间还大的，而该普尔世冗余系统由两台普尔世三相40A电源和一台YR80.241冗余模块组成，总共仅需266毫米的导轨宽度。

单相电源适用于单相的应用场合。但这里需要注意的是，两台电源的输入是连接到两个不同相位上的。

均衡的电流分布

如果一台或多台电源必须要并联工作，那么改善的热平衡功能将是一个优点，而且如果负载电流平均地从每台电源流出，能够延长电源的使用寿命。

大多数新的普尔世工控电源都具有“并联使用”模式，可适用于上述的应用环境。在该模式下，输出电压被重新设定，使其在空载状态下比额定负载状态下高4%。因此，电源间的电流自动均衡，可提供相等的电源空载电压。当较多的电流流过一台电源，那么它的电压会自动降低，同时电流恢复均衡。有了这样的功能，均衡分布的电流能够始终保持功率损耗在最低水平，符合我们对冗余系统的期望。

目前市场上某些厂家的冗余模块内集成了电流均衡分布功能，其中的MOSFET管会应需要随着电流的变化而发生轻微的线性变化，改变相应的电压，从而实现电流的平衡分配。这种方式也称作自动式均流。但自动式均流存在一些问题。首先，实现自动式均流需要在冗余模块的输入端集成两个可调电阻，增加了电路的复杂度，同时也会造成不容忽视的压降和功耗；其次，一旦发生短路，短路大电流流经冗余模块内的寄生二极管，会造成更大的功率损耗；再次，难以构建N+1冗余系统或输出达到20A以上的冗余系统。

而普尔世将并联均流功能集成在电源内是更好的解决方法。这样，功率损耗和发热量问题从根本上得以改善，从而延长了电源的使用寿命。有了普尔世电源的“并联模式”的支持，冗余系统的安全性和可靠性得到了保障，同时，经典的1+1冗余系统也可根据需求灵活扩展为N+1冗余系统。

热插拔

普尔世YR40.245是一种特殊的冗余模块，这也是普尔世专门针对热插拔功能而设计的首款产品。热插拔允许用户在不关闭系统，不切断电源的情况下更换一台电源或一个冗余模块。为了这个目的，关键连接都配有防短路插头。在插拔时，如果连接是根据指定的顺序进行的，则无需切断电源就可以更换故障的模块。这对于系统的高可用性是必不可少的。

图3   多款普尔世MOSFET冗余模块可供选择

结语

冗余电源系统对于要求高可靠性、高安全性的设备和装置有着重要的意义。普尔世标准冗余模块系列中，除了上文中介绍过的经典的24V冗余模块、允许热插拔功能的特殊冗余模块外，还有额定输出范围在40 ~ 80A / 12 ~ 60V的多款MOSFET冗余模块可供选择；而当输出电流不超过40A时，二极管的功耗与MOSFET差别不大，因此普尔世也在额定输出电流在10 ~ 40A内提供Diode冗余模块，以满足更多应用需求。基于模块化理论，采用普尔世冗余模块，非冗余系统也能便捷地改装为冗余系统，而改装的过程无需重新考虑复杂的热设计。

图4   普尔世MOSFET冗余模块选型参考