交流轉(zhuǎn)直流電源可用于需要將交流電源的電力輸送到需要固定或可變直流電壓或電流的負載的應(yīng)用中。雖然此類設(shè)備幾乎沒有輸入和輸出連接，但工程師經(jīng)常難以在特定環(huán)境中獲得可靠的性能。棘手的問題可能包括交流電源的質(zhì)量、冷卻限制、控制線路、空氣質(zhì)量或用戶對電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品的理解。本文介紹了一些常見的陷阱，并提供了有關(guān)如何在特定應(yīng)用中獲得最佳性能的見解。
　　奇怪的是，將交流電轉(zhuǎn)直流電連接到電源上經(jīng)常會出現(xiàn)問題。世界各地的電源電壓各不相同，從日本的 200 Vac 到歐洲的 690 Vac。線路頻率也在 50 到 60 Hz 之間變化，但對于當今的開關(guān)電源，頻率通常對性能影響不大。
　　每年，Magna-Power Electronics 都會接到客戶電話，稱客戶的電源由于連接到錯誤的交流電源電壓而發(fā)生故障。閱讀電源后蓋上的規(guī)格標簽并測量施加的電壓可以防止災難性和代價高昂的故障。
　　電能質(zhì)量，即施加到電源上的電壓的純度，可能是某些意外行為的根源。配電系統(tǒng)及其相關(guān)變壓器和配電阻抗可能會與電網(wǎng)上的其他負載一起產(chǎn)生電壓下降或浪涌；這些負載可能會循環(huán)諧波電流并激發(fā)電感和電容元件之間的共振。具有 6 脈沖波形的工業(yè)電源具有強大的 5 次和 7 次諧波分量?？稍偕茉醇捌湎嚓P(guān)的電力轉(zhuǎn)換設(shè)備也會影響施加到電源上的電壓。
　　如上所述，諧波和交流電源上的電壓瞬變會損壞電源轉(zhuǎn)換電路的前端。電壓瞬變可以用壓敏電阻或其他電壓鉗位裝置抑制，但這些裝置也有其局限性；它們只能吸收有限的能量。電力線諧波的破壞性可能更大，因為這些電壓偏移會持續(xù)更長的時間。為了解決這類問題，Magna-Power Electronics 使用額定電壓為 1600V 的前端組件。這個額定電壓足以應(yīng)對除雷擊之外的大多數(shù)電力線條件。
　　相位旋轉(zhuǎn)是三相電源的線電壓相位關(guān)系。雖然存在標準，但工業(yè)設(shè)施中的相位關(guān)系可能會有所不同。如果相位不正確，電機可能會反向運轉(zhuǎn)，使用 SCR 的電源可能會失火?，F(xiàn)代 SCR 電力處理設(shè)備通過感應(yīng)和校正相位旋轉(zhuǎn)變化來規(guī)避 SCR 觸發(fā)電路問題。
　　接地
　　工業(yè)安裝中經(jīng)常會遇到接地問題。許多電氣承包商對正確接地了解甚少，在許多情況下，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)不連續(xù)的接地連接。電源接地的主要目的是確保安全和抑制 EMI。接地將保護外殼置于安全位置，或與周圍設(shè)備之間的電壓差接近零。在電源內(nèi)部，接地連接與 EMI 濾波器一起使用，以使電流的高頻分量遠離輸入和輸出連接，并保持在電源外殼的范圍內(nèi)。
　　根據(jù)電氣規(guī)范和安全觀點，接地連接應(yīng)只有一個；接地連接應(yīng)在建筑物的電氣入口處進行，即計量設(shè)備的位置。正是在此點，地線和中性線連接在一起，并將接地棒插入地面。如果設(shè)施的設(shè)備接線正確，則接地路徑中應(yīng)該只有少量電流流動。如果發(fā)生雷擊，整個設(shè)施的電壓電位將上升到相同的水平，從而保護物體或人員免受危險的電壓差的影響。
　　不幸的是，并非所有電源系統(tǒng)都符合規(guī)范，一個常見問題是計算機和儀器設(shè)備使用的接地與電源設(shè)備的電壓電位不同。雖然 Magna-Power Electronics 的電源試圖適應(yīng)這種情況，但有時用戶和電源設(shè)備之間的接地不良會導致電源行為異常。最常見的問題是電源和計算機設(shè)備之間失去通信。在大多數(shù)情況下，用戶界面設(shè)備和電源之間的接地連接可以解決這個問題。
　　某些應(yīng)用需要連接到外部監(jiān)控或控制電路。許多（如果不是大多數(shù)）電源都具有參考輸出端子的誤差和反饋電路。如果沒有適當?shù)母綦x（如光隔離器），如果外部電路和電源負載接地，則可能會形成接地環(huán)路。如果外部電路接地并且電源負載懸空，則會導致控制錯誤。在這種情況下，傳導 EMI 會指向外部電路的接地引線。
　　Magna-Power Electronics 通過將所有控制置于接近地電位的位置，規(guī)避了許多接地問題。接地參考是通過電阻器和并聯(lián)電容器的連接建立的。這些組件可保護電源和外部連接電路免受不良接地環(huán)境的影響，同時提供適當?shù)淖杩挂砸种?EMI。
　　即使電源系統(tǒng)正確接地，EMI 產(chǎn)生源也可能在接地電路中產(chǎn)生電壓電位，從而引發(fā)問題。接地電路的阻抗會隨著頻率的增加而增加，EMI 源（取決于其在電源系統(tǒng)中的位置）可能會在外部監(jiān)控和控制電路之間引入電壓。與接地條件不佳一樣，將外部設(shè)備連接到電源可緩解此類電氣噪聲問題。
　　電源包含產(chǎn)生熱量的組件：變壓器、電感器、功率半導體等。無論效率如何，所有這些組件都需要冷卻。較小的電源有時依賴自然對流，但較大的設(shè)備需要強制空氣或水冷卻。水冷裝置非常適合空氣質(zhì)量較差的應(yīng)用或無法滿足氣流要求的高密度機架安裝。用戶引入的冷卻問題是 Magna-Power Electronics 現(xiàn)場故障退貨的主要原因。
　　對于需要強制風冷的電源，通風口堵塞、空氣質(zhì)量差和機柜外殼內(nèi)的空氣不流通都可能導致熱問題。通風口堵塞顯然會導致設(shè)備故障。在關(guān)鍵組件上放置熱傳感器可以幫助檢測這種濫用，但實際可能性有限。避免機柜通風堵塞可確保設(shè)備壽命達到制造商的預期。
　　將電源置于設(shè)備外殼內(nèi)也會導致熱問題。電源內(nèi)部的氣流需要與外殼內(nèi)部的氣流相同。設(shè)備外殼自熱是一個常見問題。進氣口和排氣口位置不當會導致暖空氣重新加熱，并且永遠不會排到外部。設(shè)備外殼冷卻的保守方法是將進氣口置于外殼底部，將額定流量為每分鐘立方英尺的風扇置于外殼頂部。為了最大限度地減少風扇壓力和空氣阻力，外殼底部的通風口應(yīng)與頂部的通風口相等。
　　空氣質(zhì)量差的環(huán)境通常會影響電源外殼內(nèi)部。印刷電路板的設(shè)計電壓有時可達幾千伏?；覊m、油漆和其他微粒層可能會導致電氣故障。在外殼內(nèi)放置空氣過濾器來凈化進入的空氣可以最大限度地減少這個問題，但這些過濾器的清潔不當又會帶來另一個問題?？諝赓|(zhì)量差和過濾問題之間幾乎沒有好的平衡。在極其惡劣的環(huán)境條件下，密封電源并利用水冷是熱量管理和獲得可靠運行的最佳選擇。
　　　在惡劣環(huán)境下使用水冷可以解決許多應(yīng)用問題。MagnaPower Electronics 使用熱傳感器來控制水流，以防止散熱器組件中出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象。遵循制造商對水溫、流速和壓力的規(guī)范對于確保水冷設(shè)備正常運行至關(guān)重要。流出的熱水可以用熱交換器、水對空氣或水對水進行冷卻，在閉環(huán)系統(tǒng)中進行冷卻，也可以在開環(huán)系統(tǒng)中處理?！　≡S多應(yīng)用需要外部設(shè)備來監(jiān)控和控制電源參數(shù)。除了確保電氣連接不超過制造商的額定值外，電纜的放置也至關(guān)重要。交流到直流電源的輸入和輸出端子處的電壓和電流包含瞬變、EMI 和諧波形式的高頻分量。將控制和監(jiān)控電纜與電力傳輸電纜并行放置會產(chǎn)生不可預測的結(jié)果。建議將任何控制或監(jiān)控電纜單獨布線，盡可能使用自己的金屬導管。
　　輸出電壓或電流的調(diào)節(jié)取決于對所需輸出參數(shù)的采樣并將其調(diào)整為比較參考。參考和輸出采樣參數(shù)都可以在電源外部。通常部署輸出電壓的遠程感測，以最大限度地減少連接到負載的導線中的電壓降。正確使用遠程感測可在負載點提供出色的調(diào)節(jié)。
　　切換遠程感應(yīng)連接或配置電源進行遠程感應(yīng)而不連接遠程感應(yīng)引線是一種常見但錯誤的做法。電源在未采樣輸出參數(shù)的情況下運行可能會損壞電源中的輸出組件或損壞負載。如果沒有輸出參數(shù)可控制，反饋電路會將輸出電壓或電流驅(qū)動到最大值。最大非穩(wěn)壓輸出可能會超過電源組件的安全輸出額定值。
　　解決這一潛在問題的常用方法是在輸出端子和遠程感應(yīng)端子之間添加電阻。配置電源進行遠程感應(yīng)并移除遠程感應(yīng)引線會導致輸出電壓略高于標稱條件。高于標稱條件的偏差是電源內(nèi)部本地感應(yīng)電阻的函數(shù)。
　　當切換遠程感應(yīng)和電源線時，遠程感應(yīng)可能會變得復雜。圖 1 顯示了一個常見且配置錯誤的系統(tǒng)應(yīng)用；輸出端子定義為 VO+ 和 VO，電壓感應(yīng)端子定義為 VS+ 和 VS-。部署此配置是為了使用同一電源將電源和遠程感應(yīng)引線切換至不同的負載。電子反饋電路通常比機械繼電器和接觸器的切換更快，并且在切換瞬間，電源無需感應(yīng)輸出即可運行。此配置的另一個問題是，僅在連接感應(yīng)電路的情況下運行電源，繼電器 K2 開啟，繼電器 K1 關(guān)閉。這實際上會使感應(yīng)引線連接通過負載短路。當電源以最大功率運行時，這會導致保護電阻 R1 和 R2 與負載串聯(lián)。
　　　圖 1 使用內(nèi)部電阻的遠程感應(yīng)保護　　Magna-Power Electronics 使用替代方法進行遠程感應(yīng)保護，但它也有一些缺點。如圖 2 所示，在通電周期開始時，通過電源內(nèi)部的電子開關(guān)測試遠程感應(yīng)電壓 VSX+ 減去 VSX-。電源在通電周期開始時使用本地感應(yīng)。然后，它快速切換到遠程感應(yīng)端子，速度比反饋系統(tǒng)的響應(yīng)更快，以確定遠程感應(yīng)引線是否連接到負載。如果有電壓，電源將保持遠程感應(yīng)配置，如果沒有，則重新建立本地感應(yīng)連接。除了用戶在通電周期后切換或移除遠程感應(yīng)連接外，該方案運行良好。

　　具有內(nèi)部電壓感應(yīng)的遠程感應(yīng)保護
　　圖 2 具有內(nèi)部電壓檢測的遠程檢測保護
　　惡劣的負載條件
　　輸出電流紋波
　　交流轉(zhuǎn)直流電源通常在電源的輸出端之間連接電容器。這些電容器提供分流路徑，以減少電源轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的不需要的交流電流。這些電容器具有內(nèi)部串聯(lián)電阻，當受到交流電流時，會產(chǎn)生功率損耗，從而產(chǎn)生熱量?！　∪绻撦d產(chǎn)生的交流電流增加到電源產(chǎn)生的電流中，那么將電容器電流保持在可容忍的范圍內(nèi)可能會成為一個問題。這種情況可以通過將開關(guān)型負載（如降壓轉(zhuǎn)換器）連接到電源的輸出端子來創(chuàng)建。如圖 3 所示，電源將吸收一個分量交流負載電流，具體取決于電容器 C1 和 C2 的內(nèi)部串聯(lián)電阻 R1 和 R2 的比率。

　
　　圖3 吸負載電流紋波電流
　　重復短路操作
　　與過大的輸出電流紋波一樣，輸出電容器（尤其是鋁電解電容器）也可能會因電源輸出端短路而損壞。峰值電流僅受輸出電容器內(nèi)部串聯(lián)電阻和連接電纜的引線阻抗的限制。電容器中存儲的能量會以熱量的形式釋放；反復短路輸出端可能會導致性能下降或災難性故障。薄膜電容器（例如采用聚丙烯薄膜的電容器）的耗散因數(shù)較低，并且比鋁電容器更能承受濫用，但這些電容器在給定尺寸下具有較低的電容額定值，從而影響濾波性能。輸出紋波性能和可靠的重復短路操作之間的權(quán)衡是一個設(shè)計約束。
　　反饋電壓
　　直流電源經(jīng)常連接到具有自身能量源的負載或產(chǎn)生超過電源額定值的電壓和電流的負載。典型的例子是電池負載、直流電機和電機控制器；這些負載能夠雙向流動。
　　圖 4 采用二極管的反饋電壓保護
　　將電池連接到電源的輸出端會導致輸出電容器快速充電并產(chǎn)生過大的輸出電流。如圖 4 所示，在電源輸出和電池之間放置一個串聯(lián)二極管 D1，可防止電壓反饋到電源的輸出端。將電源配置為負載處的遠程感應(yīng)，可消除二極管電壓偏移。此外，當電源關(guān)閉時，二極管可防止電池通過電源放電。（交流到直流電源通常在輸出電容器上具有泄放電阻器，以便在電源關(guān)閉時釋放任何存儲的電荷。）
　　直流電機和電機控制器組合可以在嘗試再生能量時反饋電壓。如果電源無法耗散能量，其輸出電壓將浮動在電機或控制器產(chǎn)生的電壓上。如前所述，放置二極管可防止電源輸出超過其額定電壓。
　　反向電壓
　　大多數(shù)交流到直流電源在最終輸出功率處理階段使用二極管或同步整流器電路配置。這些組件將輸出電壓反向箝位到幾伏。只要輸出電流保持在電源的額定值范圍內(nèi)，加載電源以產(chǎn)生反向電壓通常不會給輸出級（包括鋁電解電容器）帶來任何可靠性問題。如果允許電流超過額定值，則使用反向電壓源（例如電池）可能會損壞輸出功率半導體。如圖 5 所示，可以使用串聯(lián)的快速熔斷直流保險絲 F1 和二極管 D1（其浪涌額定值超過保險絲的 i2t）來實現(xiàn)反向電壓保護。使用這種保護方案，反向電壓連接將通過強制電流通過保護二極管來清除保險絲。
　　帶二極管和保險絲的反向電壓保護
　　圖 5 使用二極管和保險絲的反向電壓保護