普尔世 应用手记 | 直流源对AC电源供电是否安全？

关于使用直流源的AC电源的安全问题

在过去的二十年中，开关电源技术作为为服务器、笔记本电脑、照明设备、机械设备、工业设备以及建筑自动化系统等提供电能的重要技术，已日趋成熟。开关电源似乎可以应对现存的一切交流电压。而在某些情况下，电源的供给是直流电而非交流电。对此，有些人认为没问题，也有人认为这是个敏感问题。

图1: 以直流电供给AC电源。PULS普尔世DC/DC转换器和带DC输入版本电源产品可以应对高能直流电输入，即使是在电路发生故障的情况下。

从工业领域到建筑工程，简单易用的开关模式电源非常常见。直流电压随后被缓冲至电池，成为随时可用的安全电力供给。事实如此简单吗？

工频电源工作总是离不开变压器。输出的直流电，不管是调节的还是未调节的，都是首先在次级产生的。相比之下，开关电源是首先在初级进行整流，然后产生的直流电压被分割为高频，并通过一个小的高频变压器被传送到次级（图2）。开关电源允许宽范围的输入，还允许负载电流在0-100%的额定范围内连续工作。

图2: 无输入滤波器的开关电源原理图

在思考开关电源的输入电路原理时，首先注意到的就是整流器。如果输入不是交流电，而是直流电，将会发生什么？假设所有模块都能“准确”运行，那么几乎所有开关电源都可以直流电或者交流电输入。然而，当发生故障，一台不适用于直流电输入的开关电源，很有可能导致火灾，因为处理高压直流电比起处理交流电要危险得多。

直流源电压

为什么实际为交流输入电压设计的电源要被用在直流源环境下？举例来说，存在以下应用场景：

1.当使用多个变频器(FC)或者伺服放大器，一个整流器要通过中间直流总线为多个变频器提供范围在360-900VDC的直流电。中间直流总线电压能给开关电源供电，这将带来一个极大的优势（图3）：当电网供电发生故障，设备和机器都会马上进入停机状态。这时电机可作为发电机工作，将动能转化为电能，通过逆变器向中间直流总线供电，并且保证在没有电网及UPS供电的情况下使电源和控制器安全有序地进入停机状态。

2.当使用了冗余电源系统时，其中一台电源由高压电网供电，另一台由电池供电（图4），这两台电源并联连接，不间断地向负载供电。

3.始终由220VDC电池或其它直流源供电的系统。

图3: 无输入滤波器的开关电源原理图

图4: 有中间电路电压的变频器系统，但是更多的逆变器和电源是由中间直流总线供电的。

在上述的所有情况下，直流源都能够提供大电流。一旦发生故障，必须安全切断短路电流或过载电流。而在交流电情况下能够完全适用的由石英砂构成的熔断保险丝，换在直流电压环境下，可能遇到重大的挑战。

问题在哪里？

重申：“通常情况”不是问题。但是仔细规划不放过任一可能性的技术人员眼中总能发现例外情况。这不代表对“通常情况”的保险，而是“意外险”。一台设定为交流电输入的电源，在通常情况下也能接直流电输入工作。但问题是，能保证不发生意外吗？大多数开关电源生产商都无法对此做出承诺。

在变频器中间直流总线下工作：

变频器的中间直流总线是由边缘陡峭的相对于保护地的高交流电压（共模电压）叠加而成的。接此类输入直流电的电源必须能够处理这种干扰，通常需要内置一个特殊滤波器。

熔断保险丝：

作为在发生故障时的最后的安全保障，电源中需要内置熔断保险丝。那么问题来了：电源所使用的这种类型的熔断保险丝是否能够在高直流电压下切断短路电流或者过载电流？首先，似乎短路情况下就存在问题，虽然不是必然的。例如，通过熔丝上的电流达额定电流的3倍。在这种类型的故障下，不适用于直流电的熔丝不能被可靠熔断，而由此产生的热量很可能引起火灾（图5）。

图5: 上图：昂贵的熔断保险丝，即使在最恶劣的情况下仍然能够保护开关电源

下图：只有交流认证的输入保险丝，在高直流电压输入时自燃

有趣的事实还在于，对于直流电压来说，电流越大，保险丝的熔断表现就越关键。普通的集成式保险丝只能用在不超过4A额定的交/直流输入环境下。若电流更大，150VDC以上的直流运行是不允许的。输入为230VAC时，整流后的电压已在320VDC左右，三相应用的变频器中间电路电压在360至900VDC之间，具体取决于源电压。

该问题已被重视。在当前的UL安规文档（实际应用指导手册）中已经精确描述了能够使用DC电压输入的电源的定义。其所使用的熔断保险丝必须能够及时熔断短路电流和过载电流，否则电源所处的环境就会产生危险的高温。

https://v.qq.com/x/page/c0533b32z5x.html

视频：当不恰当的AC保险丝工作在超过300VDC, 15A电路环境下，将会发生什么？

PULS普尔世可靠的解决方案

一台适用于高压直流电输入的电源必须满足以下两点：

配备合适的输入滤波器，能够过滤对地的高共模电压；

安装的熔断保险丝必须具备UL和IEC安规认证.

在15W到480W功率级别范围内，PULS普尔世可提供丰富的电源产品，这其中也包括经验证的允许直流输入的可靠电源产品。这些电源无论是在电气间隙及爬电距离的设计方面，还是在直流操作时的输入保险丝选择方面，均获得了许可。

为了接入三相逆变器的中间直流总线电压，电源需要的输入电压最大为900VDC。普尔世QS系列电源不再适用。能够胜任的是普尔世概念型电源产品——DC/DC转换器QTD20.241，它所配备的输入级别大大增强了（图6）。QTD20.241是标准电源QT20.241的修改版，它允许的直流输入电压范围是360-900VDC。

图6: 概念型 QTD20.241, 尤其适用于变频器中间电路电压范围为360-900VDC的电源供应

结论

PULS普尔世提供一系列丰富的产品组合，其中包括安全的DC/DC转换器，功率级别涵盖15W到480W，并且在这个方面非常严谨。因为人的生命和设备的安全应当永远被放在第一位。所以在电源中，合适的安全保护措施始终扮演着关键的角色。然而甚至一些信誉良好的公司有时设计的产品也不能完全承受标准的压力测试。普尔世电源通过了独立检验机构的安规认证，即使是在做用户系统的整体安规认证时也不会发生任何不愉快的意外。