同步整流直流電源系統(tǒng)供電可靠性研究

趙 寧，阮景義，楊運(yùn)東

（1.中國(guó)信息通信研究院，北京 100191；2.中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518055）

0 引 言

新一代高效直流電源系統(tǒng)中，基于效率提升要求，整流單元輸出采用LLC+同步MOS整流方案[1]。該方案與移相全橋+二極管整流方案相比，整流單元輸出沒(méi)有差模電感，且整流器件是MOS管。這種整流技術(shù)效率高，但需要引入外部邏輯控制。當(dāng)邏輯錯(cuò)誤或者控制信號(hào)受擾時(shí)會(huì)發(fā)生整流回路直通，造成功率管損壞而使輸出端副邊短路。

根據(jù)安規(guī)要求，整流模塊輸出端設(shè)計(jì)有保險(xiǎn)絲。該保險(xiǎn)絲為慢熔型保險(xiǎn)絲，熔斷需要熱累計(jì)時(shí)間。在功率管短路至輸出熔絲未熔斷前，電池及其他正常工作模塊會(huì)通過(guò)短路回路倒灌，引發(fā)母排電壓瞬間被拉低。電壓拉低幅值及脈寬取決于電池內(nèi)阻、各線路阻抗、模塊短路阻抗及回路寄生參數(shù)大小。在電源系統(tǒng)輸入交流停電情況下，采用同步MOS整流方案的模塊發(fā)生內(nèi)部輸出整流MOS短路故障，系統(tǒng)母排電壓瞬間被拉低至32 V以下會(huì)使主設(shè)備關(guān)機(jī)重啟，且在內(nèi)部故障切斷（如熔絲熔斷）后直流輸出母排會(huì)產(chǎn)生高于60 V的反向電動(dòng)勢(shì)電壓，有觸發(fā)系統(tǒng)過(guò)壓保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)，降低了直流供電系統(tǒng)的工作可靠性。

1 參數(shù)計(jì)算

按電源系統(tǒng)實(shí)際工程安裝配置，當(dāng)發(fā)生單模塊內(nèi)部短路時(shí)，系統(tǒng)等效電路如圖1所示[2]。

圖1 電源系統(tǒng)等效電路圖

系統(tǒng)等效電路中，各阻抗和感抗計(jì)算結(jié)果如下。

（1）用電池內(nèi)阻測(cè)試儀器對(duì)各組蓄電池內(nèi)阻進(jìn)行測(cè)量，并聯(lián)后蓄電池總內(nèi)阻為：

其中，Rs_battery_1=13.13 mΩ，Rs_battery_2=12.92 mΩ，Rs_battery_3=13.56 mΩ，Rs_battery_4=13.15 mΩ。

（2）電池至直流母排線纜阻抗為：

其中，temp 取25 ℃，Lwire取8 m，Area取4×35 mm2。

（3）電池至直流母排線纜感抗為：

（4）向故障模塊灌入I=10 A直流電流，測(cè)得模塊輸出兩端直流電壓V=220 mV，故直流母排至故障模塊回路的阻抗為：

（5）15臺(tái)整流模塊輸出電解電容總和為：

（6）根據(jù)電解電容電氣參數(shù)，模塊輸出電解電容總內(nèi)阻取4 mΩ。

2 仿真分析

根據(jù)整流單元電路原理建立仿真模型[3]，如圖2所示。仿真模型中回路各阻抗和感抗參數(shù)填入上述參數(shù)計(jì)算結(jié)果，并考慮回路中各寄生參數(shù)微調(diào)影響，同時(shí)用通道1探針監(jiān)控電池電流波形，用通道2電表監(jiān)控母排電壓波形，用通道3探針監(jiān)控短路模塊電流波形，用通道4電表監(jiān)控電池電壓波形。

圖2 仿真模型

對(duì)仿真模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 仿真結(jié)果

其中，通道1為電池電流波形，通道2為母排電壓波形，通道3為短路模塊電流波形，通道4為電池電壓波形。從仿真結(jié)果可以看到：母排電壓在整流單元短路期間最小被拉低至16 V，整流單元短路故障斷開后母排電壓最高電壓達(dá)90 V以上。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)配置

蓄電池2 000 Ah×4組、電池開路電壓49 V、電池連接線纜線徑35 mm2、電池連接線纜長(zhǎng)度8 m×4根、整流模塊單元數(shù)量15臺(tái)。所有整流模塊單元并聯(lián)于直流電源系統(tǒng)中，正常接通4組蓄電池。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

制造輸入交流停電場(chǎng)景，同時(shí)用示波器觸發(fā)模式檢測(cè)電池電壓、母排電壓和故障模塊輸出端電流波形變化。待監(jiān)控啟動(dòng)完成后，持續(xù)給整流單元輸出整流MOS功率管施加15 V直流電壓驅(qū)動(dòng)，使模塊輸出回路發(fā)生直通，進(jìn)而輸出端副邊短路。實(shí)驗(yàn)中抓獲的瞬間檢測(cè)量波形變化如圖4所示。

圖4 檢測(cè)量波形變化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

其中：通道1為母排電壓波形，通道3為電池電壓波形，通道4為短路模塊電流波形。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，短路瞬間故障模塊沖擊電流最大1.87 kA，電池端電壓被拉低至34 V，母排電壓被拉低至最小10 V，連接母排的負(fù)載設(shè)備因此將關(guān)機(jī)重啟。隨后，短路能量損壞整流MOS功率管，封裝開裂呈開路模式。受導(dǎo)通回路寄生參數(shù)影響，回路斷開電流變產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，致使母排電壓抬升，最大達(dá)70.4 V。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

4 結(jié) 論

在電源系統(tǒng)輸入交流停電的情況下，當(dāng)采用同步MOS整流方案的整流模塊單元發(fā)生內(nèi)部MOS短路故障模式時(shí)，系統(tǒng)母排電壓瞬間被拉低致使主設(shè)備關(guān)機(jī)重啟，且在內(nèi)部故障切斷后直流電源系統(tǒng)輸出母排會(huì)產(chǎn)生高于60 V的電壓，有觸發(fā)輸出過(guò)壓保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)。由于分立式通信直流電源系統(tǒng)采用輸出過(guò)壓閉鎖保護(hù)模式，即使交流輸入恢復(fù)，整流單元也不能正常工作，給通信系統(tǒng)可靠性運(yùn)行帶來(lái)了安全隱患。為提高直流電源系統(tǒng)工作的可靠性，保障主設(shè)備安全運(yùn)行，需注意以下內(nèi)容：（1）提高同步整流控制電路工作可靠性，避免同步MOS整流功率管直通；（2）優(yōu)化電源系統(tǒng)過(guò)壓保護(hù)設(shè)計(jì)，調(diào)整檢測(cè)信號(hào)低通濾波參數(shù)，使保護(hù)觸發(fā)不過(guò)于靈敏；（3）或在整流模塊單元輸出端增加硬件ORing電路[4]，及時(shí)隔離故障回路，避免母排電壓拉低，但是ORing電路會(huì)增加損耗，對(duì)模塊整機(jī)效率有不利影響。此外，工程安裝中應(yīng)盡量縮短電池組與通信電源系統(tǒng)直流母排之間連接線纜的長(zhǎng)度，定期抽檢電池內(nèi)阻，及時(shí)更換老化嚴(yán)重的蓄電池。