開關(guān)和監(jiān)視高達 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。也許首先進入腦海的一種應用是電動型汽車，在這種汽車中，鋰離子電池組的電壓范圍高達 400V。不過一些不那么為人熟知的高壓應用出現(xiàn)在現(xiàn)代戰(zhàn)機中，例如 F-22 猛禽 (F-22 Raptor) 和 F-35 閃電 II (F-35 Lighting II)，這些戰(zhàn)斗機主要由 270V DC 電源供電，以實現(xiàn)更快速、精準的性能。大型太陽能陣列可以輸出 600V 或更高的電壓，而對工業(yè)電機驅(qū)動器中的 AC 電壓整流，可產(chǎn)生范圍為 170V 至 680V 的 DC 電壓。很多年來，人們一直在開展研發(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、設備占用空間和運行成本，同時方便與太陽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)，這個特點可用來減輕電纜重量。所有這些高壓電源都需要開關(guān)和軟啟動以給負載供電。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，并針對危險的高壓對低壓電子組件提供保護。

控制浪涌電流和監(jiān)視電源的方法

設計高壓電源時，一個重要的目標是安全地控制進入電容性負載的啟動浪涌電流，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單方法是，使用負溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻器，也稱為浪涌電流限制器 (ICL，圖 1a)。在電源或負載接通之前，這些熱敏電阻器在室溫時有很大的電阻 (例如幾歐姆);大電阻限制了接通時的浪涌電流。隨著電流流過，熱敏電阻器溫度升高，其電阻也隨之減小一至兩個量級 (減小到 1/10 至 1/100，變?yōu)榈陀?1 歐姆)。這些熱敏電阻器的價格在每個 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。盡管簡單易用，但問題是，快速電源周期 (接通-斷開-接通) 也許導致在第二次加電時無法限制浪涌電流，因為熱敏電阻器可能沒有充足的時間冷卻至大電阻狀態(tài)。NTC 熱敏電阻器有很寬的容限 (±25%)，而且因為浪涌電流通過電阻下降率與穩(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、熒光燈和開關(guān)模式電源中都有應用，在這些應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沒有浪涌電流限制這個缺點，使用了一個與該電阻器并聯(lián)的短接繼電器。這個繼電器稱為階躍啟動繼電器 (圖 1b)。在接通時，并聯(lián)中繼器開路，浪涌電流由電阻器限制。一個定時器也同時啟動，當定時器到期時，繼電器短接電阻器。負載電流現(xiàn)在流經(jīng)繼電器。在快速重啟時，階躍啟動繼電器能夠提供浪涌限制。這種方法需要增加一個短接繼電器和一個控制繼電器接通的定時器。由于復雜性提高，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，跨電流檢測電阻器兩端使用一個隔離放大器以及用一個差分至單端轉(zhuǎn)換放大器給 ADC 饋電。另一種方法是，使用一個隔離式增量累加 (ΔΣ) 調(diào)制器和一個外部數(shù)字濾波器。

正如已經(jīng)看到的那樣，控制、保護和監(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縫地運行。這不是微不足道的任務。這類分立式解決方案尺寸大、組件密集、價格昂貴而且缺乏安全認證。人們需要一種集成式和經(jīng)過認證的解決方案，以將設計時間和認證工作從多個月縮短到幾周時間。

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

用于高壓電源控制和遙測的集成式解決方案

LTM9100 µModule® (微型模塊) IC 是一款緊湊型一體化解決方案，用于控制、保護和監(jiān)視高達 1000V 的 DC 高壓電源 (圖 2a)。5kVRMS 的隔離勢壘將邏輯和數(shù)字接口與驅(qū)動外部 N 溝道 MOSFET 或 IGBT 開關(guān)的開關(guān)控制器隔離開。這種隔離是需要的，以控制電路保護、操作人員安全和斷開接地通路。負載是軟啟動的 (圖 2b)，針對過載用電流限制斷路器為電源提供保護。通過 I2C/SMBus 接口訪問兩個電壓輸入和用隔離式 10 位 ADC 測量的負載電流值，從而實現(xiàn)對高壓總線的功率、能量和熱量的監(jiān)視。

圖 2：(a) 具遙測功能的 LTM9100 Anyside™ 高壓隔離式開關(guān)控制器 (b) LTM9100 軟啟動、270V 負載和 200mA 受控浪涌電流

LOAD：負載

GALVANIC ISOLATION：電氣隔離

5V/DIV：每格 5V

LTM9100 運用凌力爾特的隔離器 μModule 技術(shù)以穿越一個隔離勢壘轉(zhuǎn)換信號和功率。信號被編碼為脈沖并采用在 μModule 襯底中形成的無芯變壓器橫跨隔離邊界進行傳輸，從而造就了一種極其堅固的雙向通信方案。可在共模瞬變達 50kV/μs 的情況下保證不間斷的通信。由一個包括變壓器在內(nèi)的全面集成 DC/DC 轉(zhuǎn)換器為隔離側(cè)供電，因而免除了增設外部組件的需要。為了保證隔離勢壘的堅固性，每個 LTM9100 控制器在生產(chǎn)時經(jīng)過測試，隔離性能達到 6kVRMS。LTM9100 將由 UL 1577 標準給予認可，從而可為最終設備制造商節(jié)省數(shù)月的認證時間。高的穿通絕緣距離轉(zhuǎn)化為隔離勢壘兩端上的 ±20kV 高 ESD 防護等級。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 很容易針對高壓側(cè)、低壓側(cè) (地回路) 和浮置應用 (圖 4) 進行配置。LTM9100 足夠通用，不僅可在熱插拔板卡中，而且可在 AC 變壓器、電機驅(qū)動器和電感性負載中控制浪涌電流。可調(diào)欠壓和過壓閉鎖門限確保僅當輸入電源位于有效范圍內(nèi)時負載才運行。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)開關(guān)應用的 LTM9100

ISOLATION BARRIER：隔離勢壘

CONTROL：控制

LOAD：負載

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，尤其是在大量耗費功率的系統(tǒng)中。這類電源需要一種簡單的方法來控制浪涌電流、保護電源自身并監(jiān)視電源的使用。LTM9100 是同類器件中的首款，提供這種簡單、緊湊的解決方案，因提供經(jīng)過認證的解決方案而勝過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)月設計時間和認證工作。所需的全部功能 (包括數(shù)字遙測和隔離式電源在內(nèi)) 都整合到了一個緊湊的、表面貼裝的扁平 BGA 封裝中。