同步整流直流電源系統供電可靠性研究

趙 寧，阮景義，楊運東

（1.中國信息通信研究院，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，整流單元輸出沒有差模電感，且整流器件是MOS管。這種整流技術效率高，但需要引入外部邏輯控制。當邏輯錯誤或者控制信號受擾時會發生整流回路直通，造成功率管損壞而使輸出端副邊短路。

根據安規要求，整流模塊輸出端設計有保險絲。該保險絲為慢熔型保險絲，熔斷需要熱累計時間。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通過短路回路倒灌，引發母排電壓瞬間被拉低。電壓拉低幅值及脈寬取決于電池內阻、各線路阻抗、模塊短路阻抗及回路寄生參數大小。在電源系統輸入交流停電情況下，采用同步MOS整流方案的模塊發生內部輸出整流MOS短路故障，系統母排電壓瞬間被拉低至32 V以下會使主設備關機重啟，且在內部故障切斷（如熔絲熔斷）后直流輸出母排會產生高于60 V的反向電動勢電壓，有觸發系統過壓保護的風險，降低了直流供電系統的工作可靠性。

1 參數計算

按電源系統實際工程安裝配置，當發生單模塊內部短路時，系統等效電路如圖1所示[2]。

圖1 電源系統等效電路圖

系統等效電路中，各阻抗和感抗計算結果如下。

（1）用電池內阻測試儀器對各組蓄電池內阻進行測量，并聯后蓄電池總內阻為：

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臺整流模塊輸出電解電容總和為：

（6）根據電解電容電氣參數，模塊輸出電解電容總內阻取4 mΩ。

2 仿真分析

根據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填入上述參數計算結果，并考慮回路中各寄生參數微調影響，同時用通道1探針監控電池電流波形，用通道2電表監控母排電壓波形，用通道3探針監控短路模塊電流波形，用通道4電表監控電池電壓波形。

圖2 仿真模型

對仿真模型進行仿真，仿真結果如圖3所示。

圖3 仿真結果

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90 V以上。

3 實驗驗證

3.1 實驗配置

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、電池連接線纜長度8 m×4根、整流模塊單元數量15臺。所有整流模塊單元并聯于直流電源系統中，正常接通4組蓄電池。

3.2 試驗過程

制造輸入交流停電場景，同時用示波器觸發模式檢測電池電壓、母排電壓和故障模塊輸出端電流波形變化。待監控啟動完成后，持續給整流單元輸出整流MOS功率管施加15 V直流電壓驅動，使模塊輸出回路發生直通，進而輸出端副邊短路。實驗中抓獲的瞬間檢測量波形變化如圖4所示。

圖4 檢測量波形變化實驗結果

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 實驗結果分析

從實驗結果可以看到，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，連接母排的負載設備因此將關機重啟。隨后，短路能量損壞整流MOS功率管，封裝開裂呈開路模式。受導通回路寄生參數影響，回路斷開電流變產生反向電動勢，致使母排電壓抬升，最大達70.4 V。實驗結果和仿真結果基本一致，驗證了仿真模型的正確性。

4 結 論

在電源系統輸入交流停電的情況下，當采用同步MOS整流方案的整流模塊單元發生內部MOS短路故障模式時，系統母排電壓瞬間被拉低致使主設備關機重啟，且在內部故障切斷后直流電源系統輸出母排會產生高于60 V的電壓，有觸發輸出過壓保護風險。由于分立式通信直流電源系統采用輸出過壓閉鎖保護模式，即使交流輸入恢復，整流單元也不能正常工作，給通信系統可靠性運行帶來了安全隱患。為提高直流電源系統工作的可靠性，保障主設備安全運行，需注意以下內容：（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）優化電源系統過壓保護設計，調整檢測信號低通濾波參數，使保護觸發不過于靈敏；（3）或在整流模塊單元輸出端增加硬件ORing電路[4]，及時隔離故障回路，避免母排電壓拉低，但是ORing電路會增加損耗，對模塊整機效率有不利影響。此外，工程安裝中應盡量縮短電池組與通信電源系統直流母排之間連接線纜的長度，定期抽檢電池內阻，及時更換老化嚴重的蓄電池。