開(kāi)關(guān)和監(jiān)視高達(dá) 1000V 的高壓 DC 電源

引言

數(shù)百伏的 DC 電源并非如人們想象的那樣不常見(jiàn)。也許首先進(jìn)入腦海的一種應(yīng)用是電動(dòng)型汽車(chē)，在這種汽車(chē)中，鋰離子電池組的電壓范圍高達(dá) 400V。不過(guò)一些不那么為人熟知的高壓應(yīng)用出現(xiàn)在現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)中，例如 F-22 猛禽 (F-22 Raptor) 和 F-35 閃電 II (F-35 Lighting II)，這些戰(zhàn)斗機(jī)主要由 270V DC 電源供電，以實(shí)現(xiàn)更快速、精準(zhǔn)的性能。大型太陽(yáng)能陣列可以輸出 600V 或更高的電壓，而對(duì)工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的 AC 電壓整流，可產(chǎn)生范圍為 170V 至 680V 的 DC 電壓。很多年來(lái)，人們一直在開(kāi)展研發(fā)工作，以將數(shù)據(jù)中心的配電從 AC 變?yōu)楦邏?DC (380V 或 ±190V)， 從而減少電源轉(zhuǎn)換步驟、設(shè)備占用空間和運(yùn)行成本，同時(shí)方便與太陽(yáng)能等可再生能源整合。以較高電壓配電降低了電流值，從而降低了電阻性損耗 (I2•R)，這個(gè)特點(diǎn)可用來(lái)減輕電纜重量。所有這些高壓電源都需要開(kāi)關(guān)和軟啟動(dòng)以給負(fù)載供電。就能量監(jiān)視和優(yōu)化而言，以數(shù)字化方式監(jiān)視在高壓總線上的電壓和電流是必不可少的。任何控制這些電源的電路都必須是電氣隔離的，以保證操作人員的安全，并針對(duì)危險(xiǎn)的高壓對(duì)低壓電子組件提供保護(hù)。

控制浪涌電流和監(jiān)視電源的方法

設(shè)計(jì)高壓電源時(shí)，一個(gè)重要的目標(biāo)是安全地控制進(jìn)入電容性負(fù)載的啟動(dòng)浪涌電流，例如典型橋式整流器后面跟隨的 DC 總線電容器。一種降低浪涌電流的簡(jiǎn)單方法是，使用負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻器，也稱為浪涌電流限制器 (ICL，圖 1a)。在電源或負(fù)載接通之前，這些熱敏電阻器在室溫時(shí)有很大的電阻 (例如幾歐姆);大電阻限制了接通時(shí)的浪涌電流。隨著電流流過(guò)，熱敏電阻器溫度升高，其電阻也隨之減小一至兩個(gè)量級(jí) (減小到 1/10 至 1/100，變?yōu)榈陀?1 歐姆)。這些熱敏電阻器的價(jià)格在每個(gè) 0.13 美元至 7 美元之間，視電流和電阻額定值的不同而不同。盡管簡(jiǎn)單易用，但問(wèn)題是，快速電源周期 (接通-斷開(kāi)-接通) 也許導(dǎo)致在第二次加電時(shí)無(wú)法限制浪涌電流，因?yàn)闊崦綦娮杵骺赡軟](méi)有充足的時(shí)間冷卻至大電阻狀態(tài)。NTC 熱敏電阻器有很寬的容限 (±25%)，而且因?yàn)槔擞侩娏魍ㄟ^(guò)電阻下降率與穩(wěn)態(tài)電流相聯(lián)系，所以浪涌電流不能靈活地調(diào)節(jié)至任意低的值。ICL 在吸塵器、熒光燈和開(kāi)關(guān)模式電源中都有應(yīng)用，在這些應(yīng)用中降低了橋式整流器 DC 總線電容器的浪涌電流。

為了克服 NTC 熱敏電阻器在快速重啟時(shí)沒(méi)有浪涌電流限制這個(gè)缺點(diǎn)，使用了一個(gè)與該電阻器并聯(lián)的短接繼電器。這個(gè)繼電器稱為階躍啟動(dòng)繼電器 (圖 1b)。在接通時(shí)，并聯(lián)中繼器開(kāi)路，浪涌電流由電阻器限制。一個(gè)定時(shí)器也同時(shí)啟動(dòng)，當(dāng)定時(shí)器到期時(shí)，繼電器短接電阻器。負(fù)載電流現(xiàn)在流經(jīng)繼電器。在快速重啟時(shí)，階躍啟動(dòng)繼電器能夠提供浪涌限制。這種方法需要增加一個(gè)短接繼電器和一個(gè)控制繼電器接通的定時(shí)器。由于復(fù)雜性提高，解決方案的成本也提高到了 20 美元至 30 美元范圍。

其他浪涌電流控制方法包括過(guò)零可控硅、有源功率因數(shù)控制電路和具阻尼的電感性輸入濾波。這類方法大多數(shù)是復(fù)雜、笨重、昂貴，且僅適用于 AC 輸入。

一種用于隔離式電流監(jiān)視的方法是，跨電流檢測(cè)電阻器兩端使用一個(gè)隔離放大器以及用一個(gè)差分至單端轉(zhuǎn)換放大器給 ADC 饋電。另一種方法是，使用一個(gè)隔離式增量累加 (ΔΣ) 調(diào)制器和一個(gè)外部數(shù)字濾波器。

正如已經(jīng)看到的那樣，控制、保護(hù)和監(jiān)視高壓 DC 電源需要將很多組件拼湊到一起，并讓這些組件安全和無(wú)縫地運(yùn)行。這不是微不足道的任務(wù)。這類分立式解決方案尺寸大、組件密集、價(jià)格昂貴而且缺乏安全認(rèn)證。人們需要一種集成式和經(jīng)過(guò)認(rèn)證的解決方案，以將設(shè)計(jì)時(shí)間和認(rèn)證工作從多個(gè)月縮短到幾周時(shí)間。

圖 1：浪涌控制限制器。(a) 負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻器;(b) 階躍啟動(dòng)繼電器

用于高壓電源控制和遙測(cè)的集成式解決方案

LTM9100 µModule® (微型模塊) IC 是一款緊湊型一體化解決方案，用于控制、保護(hù)和監(jiān)視高達(dá) 1000V 的 DC 高壓電源 (圖 2a)。5kVRMS 的隔離勢(shì)壘將邏輯和數(shù)字接口與驅(qū)動(dòng)外部 N 溝道 MOSFET 或 IGBT 開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)控制器隔離開(kāi)。這種隔離是需要的，以控制電路保護(hù)、操作人員安全和斷開(kāi)接地通路。負(fù)載是軟啟動(dòng)的 (圖 2b)，針對(duì)過(guò)載用電流限制斷路器為電源提供保護(hù)。通過(guò) I2C/SMBus 接口訪問(wèn)兩個(gè)電壓輸入和用隔離式 10 位 ADC 測(cè)量的負(fù)載電流值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓總線的功率、能量和熱量的監(jiān)視。

圖 2：(a) 具遙測(cè)功能的 LTM9100 Anyside™ 高壓隔離式開(kāi)關(guān)控制器 (b) LTM9100 軟啟動(dòng)、270V 負(fù)載和 200mA 受控浪涌電流

LOAD：負(fù)載

GALVANIC ISOLATION：電氣隔離

5V/DIV：每格 5V

LTM9100 運(yùn)用凌力爾特的隔離器 μModule 技術(shù)以穿越一個(gè)隔離勢(shì)壘轉(zhuǎn)換信號(hào)和功率。信號(hào)被編碼為脈沖并采用在 μModule 襯底中形成的無(wú)芯變壓器橫跨隔離邊界進(jìn)行傳輸，從而造就了一種極其堅(jiān)固的雙向通信方案?？稍诠材Ｋ沧冞_(dá) 50kV/μs 的情況下保證不間斷的通信。由一個(gè)包括變壓器在內(nèi)的全面集成 DC/DC 轉(zhuǎn)換器為隔離側(cè)供電，因而免除了增設(shè)外部組件的需要。為了保證隔離勢(shì)壘的堅(jiān)固性，每個(gè) LTM9100 控制器在生產(chǎn)時(shí)經(jīng)過(guò)測(cè)試，隔離性能達(dá)到 6kVRMS。LTM9100 將由 UL 1577 標(biāo)準(zhǔn)給予認(rèn)可，從而可為最終設(shè)備制造商節(jié)省數(shù)月的認(rèn)證時(shí)間。高的穿通絕緣距離轉(zhuǎn)化為隔離勢(shì)壘兩端上的 ±20kV 高 ESD 防護(hù)等級(jí)。μModule 封裝整合了若干組件和技術(shù)以提供一種具成本效益的先進(jìn)解決方案，可最大限度地縮減電路板空間并改善電性能和熱性能。

圖 3：凌力爾特的隔離器 µModule 技術(shù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

由于其隔離性，LTM9100 很容易針對(duì)高壓側(cè)、低壓側(cè) (地回路) 和浮置應(yīng)用 (圖 4) 進(jìn)行配置。LTM9100 足夠通用，不僅可在熱插拔板卡中，而且可在 AC 變壓器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電感性負(fù)載中控制浪涌電流?？烧{(diào)欠壓和過(guò)壓閉鎖門(mén)限確保僅當(dāng)輸入電源位于有效范圍內(nèi)時(shí)負(fù)載才運(yùn)行。22mm x 9mm x 5.16mm BGA 封裝在邏輯側(cè)和隔離側(cè)之間提供 14.6mm 爬電距離。

圖 4：用于高壓側(cè)或低壓側(cè)開(kāi)關(guān)應(yīng)用的 LTM9100

ISOLATION BARRIER：隔離勢(shì)壘

CONTROL：控制

LOAD：負(fù)載

結(jié)論

傳統(tǒng)上，高壓 DC 電源用在工業(yè)環(huán)境中，但是其他電子系統(tǒng)也在向著更高電壓發(fā)展，以降低配電成本并提高其效率，尤其是在大量耗費(fèi)功率的系統(tǒng)中。這類電源需要一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)控制浪涌電流、保護(hù)電源自身并監(jiān)視電源的使用。LTM9100 是同類器件中的首款，提供這種簡(jiǎn)單、緊湊的解決方案，因提供經(jīng)過(guò)認(rèn)證的解決方案而勝過(guò)分立式和基于繼電器的電路，該器件還節(jié)省了電路板面積和數(shù)月設(shè)計(jì)時(shí)間和認(rèn)證工作。所需的全部功能 (包括數(shù)字遙測(cè)和隔離式電源在內(nèi)) 都整合到了一個(gè)緊湊的、表面貼裝的扁平 BGA 封裝中。