电力电子/电力管理


开放式框架和u型通道电源的安装注意事项

2021年10月27日电力电子/电力管理

交直流电源通常以业界所知的开架格式提供。开放式框架通常描述一种产品,它是一种只有pcb结构的产品,设计用于安装到终端设备应用程序的组件电源,为整个产品提供外壳。


图1所示。一个开放框架电源的例子。

用于集成到终端设备的电源的另一种常见格式是u形通道,其中电源PCB安装在一个u形,通常是铝制的,底盘通常用作电源半导体热管理的一部分,并为设备制造商将电源安装到最终组装提供多种固定选项。在安装开架和u型通道电源时,有几个注意事项;这些问题主要与安全、电磁兼容性(EMC)和热管理有关,本文将对这些问题进行讨论。

另一个重要的考虑因素是电源的详细规格,特别是与数据表标题额定功率相比的温度和输入电压降额。最好的产品维持额定功率50°C环境温度和90 V交流输入,有些产品的广告标题与降额高达20%的额定功率低线和减免的可用功率环境温度低至40°C,这可能会让这些产品不适合应用程序。

安全

当安装一个开放式框架电源到设备外壳时,有必要观察所需的爬电和从设备外壳到电源各个面的间隙距离。在1级系统中,这将意味着确保任何接地的金属部件和电源的任何主要部件之间的3或4毫米,这取决于最终应用是工业还是医疗,这可能需要在电源组件周围使用绝缘体。

如果使用1类电源,电源的安全接地连接是电气安全系统的组成部分,必须安全地连接到设备安全接地。这种连接通常是通过一个安装孔,通过交流输入连接器或通过电源PCB上的固定式标签。

很可能需要对组件进行多个接地连接,这将影响电发射和磁化率性能,稍后将对此进行讨论。

在使用2级电源的地方,在金属外壳中可能需要更大的漏电和间隙距离,尽管在使用这些单元的设备外壳通常是不导电的。

u形通道的施工可以解决安全问题,u形通道的机箱与电源安全接地相连,可以随电源安全接地直接连接到设备外壳上。设计中满足了PCB和周围u形通道之间的安全间隙的要求。然而,u型通道的末端和总成的顶面通常仍然是打开的,必须小心这些区域,以确保保持足够的爬电和间隙距离。


图2。u型通道电源,有或无盖。

u型槽结构具有易于操作和易于安装的额外好处。U型底盘提供了更坚固的结构,并包含螺纹安装孔供安装人员使用,将安装硬件减少到一个简单的螺钉固定。必须注意观察任何最大螺钉插入深度,以保持安全漏电和清除距离。

u形通道结构的另一个好处是,通过对设备外壳进行传导冷却,降低了粘接组件的温度,从而降低了u形通道结构内的总体温度,从而有可能对电源组件进行额外的冷却。

无论是开式框架还是u型通道电源,都包括一个或两个(针对医疗设备应用设计的产品)输入保险丝,这些保险丝也是整个产品安全系统设计的一部分,在发生灾难性故障时可以防止火灾危险。这种熔断器通常永久性地安装在电源上,并不是为了更换而设计的,因为唯一需要清除熔断器的原因是电源组件故障。

由于这两种结构都需要输入电缆,终端设备也需要额外的保险丝,以防止连接器、指示器、开关和电缆本身产生的潜在火灾危险问题。输出电缆的尺寸必须适应电源的最大功率能力,包括其过载保护规格的最大容限,以确保在设备本身出现故障的情况下安全运行。

还有一些热因素需要考虑,因为一些安全关键组件具有最高温度额定值——这将在后面的热管理中进行更详细的讨论。

电磁兼容性(EMC)

开式框架电源通常需要两个,有时需要三个安装点连接到地。如上所述,在1级系统中,这些连接中的一个通常需要用于安全接地,并且位于总成的输入侧。这种连接也将连接线对地和中性点对地共模滤波电容器,也称为Y电容器。

这些Y型电容器与电源组件内的共模电感一起工作,以衰减与电源功率级电压快速变化相关的噪声。另一个或其他通常是在二次侧,并将输出共模滤波器电容器(s)连接到地。滤波器的微分元件,设计用于衰减与电流快速变化相关的噪声,包含在线路和中性连接的电源中。

该输出共模电容与电源的EMC性能密不可分,为了获得最佳的EMC性能,必须连接该电容。如果设备使用金属外壳,这很少是一个问题。在塑料外壳中,无论是1级或2级配置,都有必要制定其他规定将这些点连接在一起,以确保符合EMC要求。需要接地或相互连接的点通常在电源数据表中标识,如图3所示。

连接这些点的最佳方法是将开式框架电源安装在金属板上,金属板不需要连接其他任何东西,但提供了一个低阻抗路径与低寄生元素的滤波器电容器连接。如果这种安装方式不切实际,则必须采用其他方法连接这些安装点,例如多股电缆。

u通道施工时,所有接地均在u通道框内完成,从EMC角度简化了电源的安装。通过多个固定点从u型通道底盘到设备外壳的良好电气连接也是有益的,最大限度地减少寄生元素-见图4。

在这两种情况下,输入和输出电缆应保持良好的距离,并避免接近开放组件。这消除了潜在的问题,即电源内的开关组件和磁性组件的辐射被诱导到系统中,从而对终端设备产生潜在的传导和辐射辐射问题。

热管理

当对流冷却、强制风冷或两者兼有时,开架电源可能有功率额定值。在u型通道供应的情况下,也可能有一个传导冷却额定值,利用设备外壳或外部散热器进一步冷却组件。

安装位置,方向,可用的周围空间,应用负载和周围部件,以及任何系统风冷,都是独特的每个应用。是很重要的检查关键组件的工作温度在电源装置安装完成后,确保安全性至关重要的组件不超过其最大额定参数中指定的安全报告和批准供应的可靠性和使用寿命都不受损。

为集成到终端设备而设计的开放式框架和u形通道电源的数据表通常确定关键安全组件及其最高温度额定值,这取决于所采用的绝缘系统的级别。它们通常还根据关键电解电容器的温度提供估计的使用寿命曲线(图5),这些电解电容器是电源中唯一具有磨损机制的部件。

使用寿命预测是基于电解电容器在其最高额定温度下的设计寿命和在其任务剖面上最终应用中所经历的平均温度。显然,在任何情况下或任何极端情况下都不能超过最高温度额定值。

所有的电解电容器寿命计算都基于阿伦尼乌斯方程,其中反应速率减半,因此寿命翻倍每10摄氏度的温度降低,使其成为整个终端应用的使用寿命或服务间隔的关键因素。

由电源制造商进行的寿命计算将包括基于应用的纹波电流的元素,但由于这在成品电源装配中是不切实际的,通过测量部件外壳温度,并将阿伦尼乌斯方程应用于指定的温度和设计寿命,可以确定良好的使用寿命指示。


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