同步整流直流电源系统供电可靠性研究

赵 宁，阮景义，杨运东

（1.中国信息通信研究院，北京 100191；2.中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518055）

0 引 言

新一代高效直流电源系统中，基于效率提升要求，整流单元输出采用LLC+同步MOS整流方案[1]。该方案与移相全桥+二极管整流方案相比，整流单元输出没有差模电感，且整流器件是MOS管。这种整流技术效率高，但需要引入外部逻辑控制。当逻辑错误或者控制信号受扰时会发生整流回路直通，造成功率管损坏而使输出端副边短路。

根据安规要求，整流模块输出端设计有保险丝。该保险丝为慢熔型保险丝，熔断需要热累计时间。在功率管短路至输出熔丝未熔断前，电池及其他正常工作模块会通过短路回路倒灌，引发母排电压瞬间被拉低。电压拉低幅值及脉宽取决于电池内阻、各线路阻抗、模块短路阻抗及回路寄生参数大小。在电源系统输入交流停电情况下，采用同步MOS整流方案的模块发生内部输出整流MOS短路故障，系统母排电压瞬间被拉低至32 V以下会使主设备关机重启，且在内部故障切断（如熔丝熔断）后直流输出母排会产生高于60 V的反向电动势电压，有触发系统过压保护的风险，降低了直流供电系统的工作可靠性。

1 参数计算

按电源系统实际工程安装配置，当发生单模块内部短路时，系统等效电路如图1所示[2]。

图1 电源系统等效电路图

系统等效电路中，各阻抗和感抗计算结果如下。

（1）用电池内阻测试仪器对各组蓄电池内阻进行测量，并联后蓄电池总内阻为：

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）电池至直流母排线缆阻抗为：

其中，temp 取25 ℃，Lwire取8 m，Area取4×35 mm2。

（3）电池至直流母排线缆感抗为：

（4）向故障模块灌入I=10 A直流电流，测得模块输出两端直流电压V=220 mV，故直流母排至故障模块回路的阻抗为：

（5）15台整流模块输出电解电容总和为：

（6）根据电解电容电气参数，模块输出电解电容总内阻取4 mΩ。

2 仿真分析

根据整流单元电路原理建立仿真模型[3]，如图2所示。仿真模型中回路各阻抗和感抗参数填入上述参数计算结果，并考虑回路中各寄生参数微调影响，同时用通道1探针监控电池电流波形，用通道2电表监控母排电压波形，用通道3探针监控短路模块电流波形，用通道4电表监控电池电压波形。

图2 仿真模型

对仿真模型进行仿真，仿真结果如图3所示。

图3 仿真结果

其中，通道1为电池电流波形，通道2为母排电压波形，通道3为短路模块电流波形，通道4为电池电压波形。从仿真结果可以看到：母排电压在整流单元短路期间最小被拉低至16 V，整流单元短路故障断开后母排电压最高电压达90 V以上。

3 实验验证

3.1 实验配置

蓄电池2 000 Ah×4组、电池开路电压49 V、电池连接线缆线径35 mm2、电池连接线缆长度8 m×4根、整流模块单元数量15台。所有整流模块单元并联于直流电源系统中，正常接通4组蓄电池。

3.2 试验过程

制造输入交流停电场景，同时用示波器触发模式检测电池电压、母排电压和故障模块输出端电流波形变化。待监控启动完成后，持续给整流单元输出整流MOS功率管施加15 V直流电压驱动，使模块输出回路发生直通，进而输出端副边短路。实验中抓获的瞬间检测量波形变化如图4所示。

图4 检测量波形变化实验结果

其中：通道1为母排电压波形，通道3为电池电压波形，通道4为短路模块电流波形。

3.3 实验结果分析

从实验结果可以看到，短路瞬间故障模块冲击电流最大1.87 kA，电池端电压被拉低至34 V，母排电压被拉低至最小10 V，连接母排的负载设备因此将关机重启。随后，短路能量损坏整流MOS功率管，封装开裂呈开路模式。受导通回路寄生参数影响，回路断开电流变产生反向电动势，致使母排电压抬升，最大达70.4 V。实验结果和仿真结果基本一致，验证了仿真模型的正确性。

4 结 论

在电源系统输入交流停电的情况下，当采用同步MOS整流方案的整流模块单元发生内部MOS短路故障模式时，系统母排电压瞬间被拉低致使主设备关机重启，且在内部故障切断后直流电源系统输出母排会产生高于60 V的电压，有触发输出过压保护风险。由于分立式通信直流电源系统采用输出过压闭锁保护模式，即使交流输入恢复，整流单元也不能正常工作，给通信系统可靠性运行带来了安全隐患。为提高直流电源系统工作的可靠性，保障主设备安全运行，需注意以下内容：（1）提高同步整流控制电路工作可靠性，避免同步MOS整流功率管直通；（2）优化电源系统过压保护设计，调整检测信号低通滤波参数，使保护触发不过于灵敏；（3）或在整流模块单元输出端增加硬件ORing电路[4]，及时隔离故障回路，避免母排电压拉低，但是ORing电路会增加损耗，对模块整机效率有不利影响。此外，工程安装中应尽量缩短电池组与通信电源系统直流母排之间连接线缆的长度，定期抽检电池内阻，及时更换老化严重的蓄电池。