使用直流电压代替交流电压为开关电源供电

电器工程 开关模式电源 电池供电
2022-01-22 23:35:42

情况:
您有一个电压为 300V 的电池组。您有一些专为 250V AC 设计的电器。这些电器内部有 SMPS。
声明:
您可以使用直流电压为设备内部的 SMPS 供电,而不是使用直流到交流逆变器。
推理:
250V AC 的峰值电压在 350V 左右。SMPS 的第一阶段将 250V AC 整流为大约 300V DC。然后使用该电压为另一级 SMPS 供电,但这对于这个问题并不重要。所以基本上从 SMPS 的 2 级开始,SMPS 不知道交流和直流电源电压之间的区别。
优点:
逆变器成本为 0,直流到交流逆变器的损耗为 0%
缺点:
您可以严格地将这种方法用于带有 SMPS 的设备。
题:
有什么我错过的吗?有没有理由为什么这不起作用?

4个回答

我有PC电源的实际经验。几乎所有现代 ATX PSU 都包含一个主要部分(在 PSU 开启时提供全马力)和一个提供 +5VSB 的小部分。在一个体面的 PSU 中,两者都是 SMPS,即不包含经典的铁芯交流变压器(如果由直流电源供电,肯定会烧毁)。

市场上仍然有一些便宜的 ATX 电源,它们不包含适当的基于 SMPS 的 PFC 级,或者使用所谓的“无源”PFC,它本质上是一个串联的电感器……带有无源 PFC 的 PSU通常有一个开关配置为 120 与 240 V AC,或者(在欧洲)是“仅 240 V”,具有适度的容差。出于直流操作的目的,我不太喜欢便宜的品种 - 不完全确定在瞬态事件(电源开/关 - 可能没有太大风险但你最好小心输入端的大电感器会发生什么) 并且因为我的客户通常有一个“介于两者之间”的直流电源轨,例如 250 V DC。

正如您所提到的,直接整流的峰值电压约为 340 V DC,源自 240 V AC,或 170 V DC,源自 120 V AC(比率为 2 的平方根)。因此,对于指定为 240 V AC (= 340 V DC) 的 PSU,250 V DC 可能太低了。PSU 要么拒绝运行,要么可能面临初级热过载的风险(由于流入的电流过多,以补偿较低的电压)。后一种风险很大程度上取决于附加到次级侧的实际负载。

带有有源 PFC 的 PSU 通常具有指定的宽输入范围,例如 100 - 240 V AC(140 至 340 V 正弦波峰值)。这是因为 SMPS PFC 级实际上用作升压转换器,其输入端有一个相对较小的电容器,跟随正弦波,并将您提供给它的任何电压上变频到 PSU 的主初级电容器中的大约 400 V DC - 用于主降-将舞台转换为“漂亮的游乐场”。

PFC 级输入的 140V DC 最小值实际上是有争议的。PFC 级使用特殊电路,调节其电流以跟随输入的“整流正弦波”波形。我猜它被称为“电流镜”,这听起来更像是来自“运算放大器内部”命名法(另请参见“长尾对”),而不是 PFC 控制器特有的术语......无论哪种方式,这电路调制 PWM 以使电流与输入电压同步波动,以模拟电阻负载……如果输入电压完全恒定,这应该会导致电流完全恒定,对吧?回到 140 V DC 最小值(对于 100 V AC):考虑到,在 100 V AC 下,PFC“电流镜”仍然努力跟随正弦波,所以它实际上可以在低得多的电压下工作。而且,在 100 V AC(140 V 峰值)= 在相应的电流(一些正弦 Ief)下,它仍然具有可承受的损耗 = 散热。可以说,如果由直流电压供电,在 100 V DC 而不是 140 V DC 下可以获得类似水平的损耗和热量,同意吗?

您可能有点怀疑的一点是输入 Graetz 电桥,它只会在一半的二极管中受到压力 - 但这通常没有问题。

一个有点微妙的问题仍然存在:浪涌限制。AFAICT,即使是现代配备 PFC 的 PSU 在大初级电容充电时实际上也会遭受开机浪涌的影响(= 使用 ATX PSU,当您插入电源线时会发生这种情况,而不是当您推动 PC 的电源时-on 按钮)。PFC 级的升压拓扑本身不包含任何浪涌限制设备(可能除了扼流圈,但相对较小)。如果 PSU 配备了用于浪涌限制的 NTC,它可能也适用于 DC。如果 PSU 包含基于晶闸管(基于 PWM)的浪涌软启动器,那将是一个问题,因为 PSU 要么根本不工作,要么晶闸管不会关断,而且会有一个地狱般的涌入:

即使在较低电压 (< 50 V) 的直流电源轨上,浪涌脉冲限制也是一种痛苦——几乎没有人愿意解决的问题,直到它回来咬他们......

至于过流安全:在自动化设备中使用高压直流电的人(一些铁路和变电站人员)通常使用特殊型号的断路器,这些断路器指定用于在所需电压下进行直流操作。它们看起来非常像 DIN 导轨上的普通交流断路器,除了它们具有可以断开直流电流的特殊特性。无论如何,要达到一定水平的电流和电压。另见“断路器选择性”。

总的来说,如果您误触裸线,我自己会非常害怕直流电压。一旦被抓住,它就不会放过你。不太适合家用。

是的,这是可以做到的。

  1. 您的设备必须仅使用 SMPS(无隐藏变压器或隔直电容器。)
  2. 您的设备必须是双重绝缘的(没有外部连接或通常接地的裸露金属部件。)

德国计算机杂志在最近的一期(2016 年初 - 仅链接德语,而不是完整文章)中没有测试过几台设备,该 问题测试了这个东西。他们发现许多设备将在远低于 100VDC 的直流电压下运行,这使得构建电池组为交流电设备供电变得很容易。

操作交流设备所需的最小直流电因 SMPS 的设计而异。我记得有些工作的电压低于 40 VDC,但有些需要更高的电压。

需要注意的是不是双重绝缘的设备。如果设备预期接地但未接地,那么您最终可能会在裸露的金属部件上产生危险电压。

最后一点在使用诸如示波器之类的具有裸露接地连接的设备时尤其重要。

对于为什么这在 EESX 上很危险,有一些很好的解释。


正如 frr 所指出的,当以较低的直流电压运行时,设备可能会运行得更热。这可能会导致设备比仅在指定的交流电上运行时更早发生故障。

就像评论里说的那样。可以直接从直流电源使用大多数 smps 装置。因此,您可以节省逆变器的成本。一种情况不容忽视。一些电器使用电源频率进行计数和/或计时。这些情况并不总是从设备外部可见。

这仅涵盖子集案例,但其本身值得一个次要答案(而不是可以删除或遗漏的评论。)

一些电源利用交流输入变化来提供比整流和给定平滑程度更平滑的直流输出。
这些电路在直流输入上的操作将违反电路设计人员所做的假设,并可能对功耗或其他功能产生影响。

一个例子是“山谷填充电路”(维基百科),它在高输入电压下对电容器串联充电,然后在 Vin 下降到交流零交叉点时以较低电压将它们并联放电。这些电路在中等功率应用中更为常见,例如 LED 照明,其中避免电源频率引起的闪烁很重要。这些类似于下面提到的一些功率因数校正电路,但​​主要目的可能不同。(对于 LED 驱动器,这种安排可能会提高闪烁性能并提高法规遵从性。)

在此处输入图像描述

C1 和 C2 串联充电和并联放电 - 充当 Vin_high 减半器,在低 Vin 期间提供电流。

这里他们认为这是一个 PFC 校正电路。

有关的

无源和有源功率因数校正器有什么区别?


一些电源使用电容器电压倍增器,例如“通用电源”,在 100 VAC 上使用时电压会加倍,而在 230 VAC 下使用时不会加倍。整流 110 VAC 上的操作将失败。

已经提到了功率因数校正电路。其中一类将 Vin 提升到等于或高于峰值 Vinmax 的电压。这些是否适用于直流输入取决于设计。