Vicor Corporation · NASDAQ:VICR
Vicor — Technical Presentation (2019)
31 slides from Vicor's technical presentation, Oct 29, 2019
Slide 1: AC/DC 前端电源设计 - 系统级考虑
AC/DC 前端电源设计 - 系统级考虑 毛敏 高级现场应用工程师 © 2019 Vicor 1
Slide 2: 索引：设计检查表
索引 : 设计检查表 1 充分理解输入源的特性 7 瞬态（ Transients) 和浪涌 (Surge) 2 启动、热重启及浪涌时需要考虑的 的区别 涌流电流大小 8 线路干扰抑制、分流或串联的方法 3 是否需要功率因数校正？ 9 分流干扰抑制 4 没有 PFC 时的不利影响 10 串联干扰抑制 5A 被动 PFC 5B 主动 PFC 11 前端 UV/OV 锁定、突涌／浪涌的 后级 DC-DC 锁定 6 三相电源注意事项 12 重启定时器、故障保护 © 2019 Vicor 2
Slide 3: 索引：设计检查表（续）
索引 : 设计检查表 13 后级 DC-DC 转换器的稳定性注意 20 前端电源输出端口的故障电流 事项 21 保险装置 14 共振 22 工作温度和器件的选择 15 线频阻尼、大型滤波器组件 23 安全性、接地、 DC 母线放电、接 16 高频阻尼、（瞬态）寄生元件 触电压和温度 17 AC 泄漏电流 24 遥测，保证 SELV 18 DC 母线上的共模电压 25 Hipot 注意事项 19 不同输入源对漏电流的影响 © 2019 Vicor 3
Slide 4: AC-DC 前端注意事项：了解系统
AC-DC 前端注意事项： 了解系统 1 如果充分了解了 AC 前端的工作条件，设计 AC 前端就会变得相 对简单 未来设计可能有一些新的未知情况需要考虑 总是使用检查表执行全面检查 © 2019 Vicor 4
Slide 5: AC-DC 前端注意事项：了解系统
AC-DC 前端注意事项： 了解系统 1 除了稳态，整个工作范围，还需要考虑以下问题 必须检查： – 接通、断开 – 线路压降 – 线路浪涌 – 瞬态 – 传导噪声，如 AC 线路上的大型逆变器等 – 电容器等组件的老化效应 – 高温工作温度和低温工作温度 – 环境，如湿度和振动 – 安全、保险装置、内部电压放电、触温 – 故障研究：……时，会怎样，输出会短路吗？……过温？ – 等等…… © 2019 Vicor 5
Slide 6: 涌流电流注意事项
涌流电流注意事项 2 必须控制涌流电流大小，因为高的峰值电流会使断路器跳闸，引起线路扰动 – 高峰值电流可能会使开关触点熔合 NTC 热敏电阻器可以用来限制涌流，但在快速重启情况（如线路压降期）时就会 失效。 使用 PTC 热敏电阻 加上 短路以及逻辑控制电路。 – 控制逻辑应包含 UV 及 OV 锁定 输入电源经常性掉电重启，如线路连接松散，则应使用定时器控制电路重启时间和 频次，防止损坏 后级转换器必须在涌流期间保持关断 © 2019 Vicor 6
Slide 7: 是否需要功率因数校正？
是否需要功率因数校正？ 3 政府管理机构通常有 PFC 的要求 – 查看需要达到的标准 / 法规 并不是所有的设计都需要 PFC – 以下情况下可以省略 设计主要目标是简化系统 低成本设计 在不使用 PFC 时，一些隐藏的成本 – 电源配电变压器的发热和接线 可以采用主动或者被动方式来提高功率因数 © 2019 Vicor 7
Slide 8: 没有 PFC 造成的不良影响以及原因
没有 PFC 造成的 不良影响以及原因 4 整流器／电容器前端功率因数差， 电流脉冲的高频率含量会引起铁芯 是由于电流随时间的非线性流动造 变压器过热 成的 由于三角一次绕组和磁路对 3 阶 与 L 负载或 C 负载下电流的相 （三倍）谐波起捕捉作用，因此会 移不同 导致三角／ Y 变压器过热 低功率因数阻碍了电源的充分利用， 三相系统中的中线会出现过热的情 因为必须根据峰值电流（而不是 况，因为中线电流的抵消能力有限 RMS ）调整其大小 © 2019 Vicor 8
Slide 9: 被动 PFC 5A
被动 PFC 5A 被动：电感与整流器串联，以降低 dI/dt 非常简单的解决方案，但很笨重 PFC 校正能力有限 由电感电流滞后 来实现功率因数矫正 在设备无法修改情况下的一种好的解决方案 适用于单相及三相系统 标准目录电感器是用于该用途的现成解决方案，用 % 阻抗表示，典型值为： 1.5% 、 3% 和 5% © 2019 Vicor 9
Slide 10: 主动 PFC 5B
主动 PFC 5B 使用与线路串联的升压转换器，将保持电 容器充电到超过线路峰值的电压 – 这样 AC 线路就不能直接给该电容器充电，其只 能通过增加升压转换器提供的输出高电压来充电 控制电路不仅可监控 AC 线路电压，而 且还可将这作为 AC 线路电流波形的模 板 – 将输入电流与模板进行比较 并对升压变换器进行调制，使电流波形与电压相位 一致 © 2019 Vicor 10
Slide 11: 三相电源注意事项
三相电源注意事项 6 应尽可能使用三相电源来做 DC 电源 – 整流 DC 无过零 – 整流后的 DC 电压范围从 VPK 到 0.866VPK – 只需要很小的电容，除非需要特别的保持时间和高频率滤波旁路 在工业环境中，线路上的压降、浪涌、瞬态和噪声可能很严重 AC 线路可与焊接设备、感应加热器、硬开关电机驱动器共享 在办公室或数据中心环境中不常见 © 2019 Vicor 11
Slide 12: 瞬态和浪涌的区别
瞬态和浪涌的区别 7 综上所述，这就是峰值电压与峰值电压持续时间的关系 瞬态（ Transients ）：短期事件、通常在峰值电压下较高，而且电 源阻抗较高 – 就属性而言，可能是共模，也可能是差模 浪涌（ Surge ）：持续时间长、电压峰值低、电源阻抗低 – 大多数情况下都是差分电压 © 2019 Vicor 12
Slide 13: 线路干扰的抑制方法
线路干扰的抑制方法 8 瞬态：对于瞬态衰减，通常采用分流保护方法 – 瞬态抑制级多数情况下总是先于浪涌保护级，以防止其免受高压瞬态的影 响 – 瞬态钳位电压设置必须始终小于预期的浪涌电压 浪涌：较长的持续时间，必须串联元件在电路中，才能将浪涌电压 降低到一个可以接受的水平 © 2019 Vicor 13
Slide 14: 线路干扰抑制的分流方法
线路干扰抑制的分流方法 9 在 AC 线路上直接添加一个瞬态抑制组件 Z1 – 通常有金属氧化物压敏电阻 (MOV) 或双向瞬态电压抑制器 (TVS) – 其额定电压始终大于 VSURGE Z1 、 C1 C2 、 C3 – Z1 必须是合乎规范的安规器件 必须计算峰值功率， 防止损坏该器件 C4 、 C5 C1 增加了瞬态衰减， 但其主要目的是做 EMI 的抑制和衰减 C2 、 C3 、 C4 、 C5 的功能与 C1 相似，但它们的值要小很多，以防止 AC 到大地的漏电流超标 – 这些电容器有助于衰减共模瞬态 © 2019 Vicor 14
Slide 15: 线路干扰抑制的串联方法
线路干扰抑制的串联方法 10 将 Q1 加上控制电路串联在整流桥之后的 DC 母线上。 该元件不仅会降低其上的浪涌电压，而且可 以对输出有个最高电压的过压钳位保护。 必须精确计算该器件消耗的峰值功率，才能 浪涌控制电路 保持工作在 SOA 内 如果浪涌持续，则可能会超过 Q1 的 SOA – 应该使用关闭定时器来禁用器件，以防止出 Q1 损坏 © 2019 Vicor 15
Slide 16: 前端监控电路
前端监控电路 11 增加对前端的智能控制和监控，可保 监控的参数可以包括： 护前端不受终端环境中已知或未知的 – UV 锁定：欠压锁定可在输入电压低于指定值时让 各种工作条件的影响 前端关断，它通常会在初始接通时运行一次，然后 在关闭时再次运行。确保有足够的回滞，以便前端 如果前端暴露在有害的工作条件下， 在因稳压和纹波增加而应用负载时不会关闭 控制电子器件将进行保护性关闭并在 – OV 锁定：过压锁定可在输入电压高于指定值时让 前端关闭。如果经常进入 OV 锁定状态，则应检查 回复正常之后，按顺序重启。 AC 电源。确保有足够的回滞，因为 OV 事件应该 很少遇到，而且在重新启动
Slide 17: 前端监控电路
前端监控电路 12 监控的参数可能包括： – 重启定时器：将防止前端在故障条件清除的预定时间内重新打开，特别是 在 AC 电源掉电并迅速恢复时特别有用。该定时器将防止前端遭受涌流事 件及瞬态的损坏。 – 温度监控器：将在温度过高或过低的情况下，提供关闭功能。可能包括对 监控系统的早期预警。 – 输出过流保护：将在输出电流超过预设值时提供关断功能。 © 2019 Vicor 17
Slide 18: 前端在 DC-DC 转换器负载情况下的稳定性
前端在 DC-DC 转换器负载情况下的稳定性 13 一般情况下，前端的输出阻抗应该不超过所连接负载阻抗的 1/10 需要考虑的频率范围为从 DC 到所连接 DC-DC 负载的转折频率的 2 倍 必须密切关注前端的自谐振频率，典型的问题区域在低 kHz 范围内 谐振 L/C 槽包括前端滤波器组件内及其前面的所有布线电感，以及所有 差分输出母线电容器之和 如果前端是有源 PFC 设计，则必须进行单独的研究，因为前端包含两个 控制环路：在线路频率附近的电流控制环路，以及通常在线路频率 1/10 - 1/5 处的输出电压控制环路 © 2019 Vicor 18
Slide 19: 共振
共振 14 前端必须考虑做好阻尼 除必须使用外，避免使用高品质组件； – 有源电源处理组件例外 前端不仅可在其固有频率下共振，而且还可通过多个电源激发 前端通常有多个谐振槽电路 – 例如， EMI 旁路电容器和布线电感 共振可由以下情况激发： 1. 在连接至前端的输入电源线上存在 AC 线路干扰。 2. 在 DC-DC 转换器的输出端反射的开关负载，这些负载可反射至 DC-DC 转换器的输入端。 DC-DC 转换器输 出端的开关负载频带受 DC-DC 转换器转折频率限制。 3. DC-DC 转换器的开关作用在开关频率下有很强的差分分量，在谐振频率下分量较弱。然而，转换器内的
Slide 20: 线频阻尼
线频阻尼 15 在选择前端电源处理组件时，应选择线路频率损耗相对较低的组件， 但要确保其阻尼良好，以防共振 在 AC 线路电压应用或移除时、在线路压降时或在线路断断续续连 接时，欠阻尼滤波器和线路反应器 会引起很大的电压偏移 对于所示的输入滤波器， R1 和 R2 为差分电感器 L1 和 L2 提供阻尼 © 2019 Vicor 20
Slide 21: 高频阻尼
高频阻尼 16 前端可在 AC 线路纹波或所连接 DC-DC 转换器负载的开关频率以外的频率下显示共振 – 这种共振将对传导发射性能产生负面影响 AC 线路整流时， DC 母线峰值纹波的共振是由不连续电流引起的 – 谐振槽是因线路电感以及分布在电源转换电路中的高 Q 值的薄膜电容器 无阻尼前端 DC 输出母线的 增加的旁路电容；请注意 添加至旁路电容器的串联阻尼 响应 电阻 共振频率下移，振幅略高 © 2019 Vicor 21
Slide 22: AC 漏电流
AC 漏电流 17 前端及连接的负载往往具有在 AC 线路与接地之间连接的 EMI 抑制电容器（如 下列 C2 、 C3 、 C4 和 C5 ） AC 接地漏电流的大小取决于： 1. 输入电压 2. 接地总电容 3. 连接至 L1 和 L2/N 的电源的接地配置 © 2019 Vicor 22
Slide 23: DC 母线输出端的前端共模电压
DC 母线输出端的前端共模电 压 18 除了前端输出的差分 DC 电压外， 还有一个 AC 共模分量 AC 共模电压是非正弦的，阻抗很低 这就是前端 DC 输出不用大地做参 考的原因，除非电源是浮动的。 欧洲和中国最常见的 230VAC 使用 电压和美国最常见的 120VAC 使用 电压波形相同，只是幅值和频率不同 © 2019 Vicor 23
Slide 24: 不同电源配置下，DC 母线上的 AC 电压
不同电源配置下， DC 母线上的 AC 电压 19 在输出端提供 各种电压的常 见电源配置实 例，有更多… … © 2019 Vicor 24
Slide 25: 前端电源输出端口的故障电流
前端电源输出端口的故障电流 20 前端通常有三个 保持电容器与 AC 线路并联， 美国住宅或商业照明电源， 低阻抗源 因此 DC 总线具有强大的短 仅 AC 线路的故障电流能力 为了安全起见，必须加以考 路电流能力，如果发生故障， 就可达 3KA 至 5kA 范围 虑： 可提供数千安的电流 – 住宅应用的断路器和配电设 – 正负输出端之间出现的差分 共模 AC 故障电流能力是由 备最大额定电流一般是 DC 电压 10kA ，可提供 2:1 的安全 AC 线路的阻抗决定 裕度 – 正输出与接地间的共模 AC – 正负输出为接地带来的故障 电压 很少见，但必须考虑其影响 – 负输出
Slide 26: 保险装置
保险装置 21 选择正确的保险丝对生命财产安全至关重要 注意事项： 除非有使用备选解决方案的良好工程依据， 保险丝额定电压必须超过应用电压 否则必须遵循组件或设备制造商关于保险丝 保险丝的额定熔断电流必须超过电源的“短路故障”额定值 的建议 在 DC 电源上使用时，必须根据规格书选用合适的 DC – 使用备选解决方案，需要通过安全机构测试 通流值的保险丝 认证 考虑保险丝的 I2t 额定值，快速熔断保险丝和慢速熔断保 保险丝选择的基础决不能仅仅考虑成本或供 险丝有明显的区别 货情况 快熔及慢熔特征因保险丝制造商不同而不同，请查看产品 说明书 必须以性能为基础
Slide 27: 工作温度和器件的选择
工作温度和器件的选择 22 器件的选择对产品使用寿命至关重要 器件在接近最高工作温度下工作，会缩短其使用寿命 与在所有温度下工作的薄膜电容器或陶瓷电容器相比，电解电容器等器件在高温下会迅速 降级，而且使用寿命有限 器件规格会随温度变化而变化，额定温度为 -55℃ 的部件在较低温度下也可以使用，但是 标称规格已经降级到影响设计的程度 考虑器件的成本以及组件发生故障时的成本，器件层面成本的少量增加，可能会显著降低 使用周期成本 谨慎添加新器件及厂商，验证性能 © 2019 Vicor 27
Slide 28: 安全及一般注意事项
安全及一般注意事项 23 由于应用的多样性以及满足这 实例： 腐蚀性环境、高湿度、咸空气、 水、高海拔或高压 些需求有多种可能的设计，在 接地要求，接地或线路连接 （海底） 使用设备时必须考虑到尽可能 损耗 使用或运输过程中的振动 多的可能性 外壳或任何外露终端上的可 支持现场维修、返库维修或无 以触摸到的电压 规划一种全新的设计时，应进 维修的设计 释放装配体内危险电压时， 行安全审查，以帮助考虑设备 安全联锁 高可靠性设计冗余 在使用或误用时可能会遇到的 外露表面温度、尖锐边缘、 远程监控和故障检测 问题 棘手的处理、重量 预期使用环境所有导
Slide 29: 监控：安全屏障
监控：安全屏障 24 对于需要最高系统可用性的应用，应该将远程监控设计在系统中 数据的极限及趋势分析都可用来确定系统健康状况 – DC 输出电压、电流、 AC 线路电压、 AC 线路超出范围的事件监测／日志、风扇 转速（如果使用）和系统温度等参数。 监控一定要稳健可靠，因为错误的故障报告代价高昂 监控 AC 线路或非隔离 DC 输出的系统，必须具有适当的隔离等级，才能 达到适用安全标准。 – 介质材料典型的 3kV AC 额定增强隔离 © 2019 Vicor 29
Slide 30: Hipot 注意事项
Hipot 注意事项 25 Hipot 测试电压不是工作电压 Hipot 测试是一种有时间限制的高测试电压应用，以证明电气绝缘 的功能 – 应用电压的持续时间通常为 1 分钟 测试证明，该绝缘是完整的，足以承受较低的稳定工作电压 继续在 Hipot 电压下测试或在一个高于标称电压的工作电压下运行 系统，将确认介质隔离和间距。 © 2019 Vicor 30
Slide 31: 谢谢大家！问题？
谢谢大家！ 问题？ 本文包含的、 Vicor 提供的信息仅供一般性参考之用。 Vicor 不对本演示的不准确性、错误或遗漏承担任何责任。电源产品用户仍对与此类使 用有关的设计、测试和工作安全保护负责。 © 2019 Vicor 31