电压超过 75 VDC 时如何分流 1500 焦耳

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2022-01-29 16:10:31

我有一个交流发电机,它在 100 A 时以 ~58 V 充电。如果它的负载(锂电池组)突然断电(bms 截止),我需要一种方法将电源分流到虚拟负载 200 ms 以防止电流下降到 0 A 和电压尖峰到 230~280 V(大约 100 V 后,它开始烧毁交流发电机二极管并破坏并联连接的所有其他东西,因此它不会上升到无穷大)。

理想情况下,电压将不会超过 75 VDC。200 ms 是调节器快速切断磁场电源后交流发电机磁场消散所需的时间,所以这就是我需要将能量从主电路分流的时间。

对于 12 V 和 24 V 交流发电机,这是一个 89 美元的设备,由一家名为 Sterling Power 的公司制造,但没有 48 V。有人告诉我,48 V 的物理特性使它变得更加困难。

48 V 交流发电机稳压器的制造商向我提供了以下 200 V 交流发电机“负载突降”场景的数据。我的交流发电机最大为 100 A,所以我只需要那么多保护:

“您将希望看到将电压抑制到最大 100 V 左右,否则将超出大多数设备生存的可行范围。这里的细节是一个多焦耳 200 毫秒左右的事件,而不仅仅是一个HV/LC 事件——大多数设备已经对此进行了保护。如果我的数学计算正确,在 100 V 下将 200 A 48 V 交流发电机抑制 200 ms 的输出功率为 3,000 焦耳。这就是这里的目标。100 V抑制,具有 3 kJ 的额定值。”

他引用了 100 V,但为了清楚起见,这不是尖峰开始的地方。在他的示例中,它从大约 58 V x 200 A 开始,然后电压随着电流下降而上升,因此当它达到 100 V 时,电流将仅为 116 A。他可能计算出 60 x 200 x 0.2 = 2400,然后四舍五入净空高达 3000 焦耳。

对于我的情况,它从 58 V x 100 A 开始并持续 0.2 秒,因此 58 x 100 x 0.2 = 1160 焦耳。也许我们四舍五入到 1500 焦耳以留出一些空间。这就是电压超过 75 VDC 后我需要将多少能量分流到虚拟负载。

我发现了许多 48 V 的电压抑制设备(Transtector 非常喜欢研究其多样化的 48 V 抑制产品),但他们的设备适用于微秒事件,而不是 200 ms。所以它真的进入了持续的领域,尽管是短暂的过电压,而不是瞬态。

有任何想法吗?我想到了一个 72 VDC 转换器,最小输入为 65 VDC(最大 90 V),但不确定它是否足够快以开始将电流分流到连接到其输出的虚拟负载。

必须有一种方法可以构建大型电感器或 RC 网络,以便在电压超过设定阈值后吸收这种能量。

4个回答

将负载转储到使用 mosfet 的 1 kW 绕线电阻器中似乎是完全可行的。

电阻示例: Vishay p/n FSE100022ER500KE

这是一个 1 kW 线绕电阻器,额定 10 倍过载 5 秒。只要您不一遍又一遍地处理 100 安培 200 毫秒,这将没有问题。单件数量的成本约为 80 美元。

MOSFET 示例: 英飞凌 p/n IPTC019N10NM5ATMA1

这是一个 100 V MOSFET,具有 2 mOhm Rds(on)。忽略开关损耗,耗散仅为 20 瓦(假设 Id = 100 安培)持续 200 毫秒。那应该没问题。单件数量成本低于 10 美元。

这些是关键组件。您还需要一个比较器,可能是 MOSFET 的栅极驱动器和一个电压基准。而且,我猜,可能是某种类型的 10 或 12 V 稳压器,用于栅极驱动器、基准和比较器。您需要确保 MOSFET 锁定并保持足够长的时间以释放所有能量。因此,比较器的 12 V 电源轨可能需要一个二极管和电容器来保持它至少直到场崩溃之后。

使用此功率级别,您将需要进行一些故障模式分析(无论您选择哪种解决方案)。如果负载转储机制在“开启”位置出现故障怎么办?您想检测该故障并抑制交流发电机的运行吗?熔断保险丝并且没有负载突降?等等。这是你的责任,因为你了解你的系统。我不。

虽然设计一个分流负载来吸收这么多能量当然是可能的,但它需要一个较大且昂贵的脉冲额定电阻器和一个非平凡的半导体来接通它。

相反,我会采取加速调节器极其缓慢的抛负载响应的方法:使用运算放大器或比较器来检测过压情况(例如,超过 70 V),并通过短路交流发电机的励磁绕组来做出响应。这只需要一个适中的 FET、BJT 或 SCR,因为场电流仅为个位数安培。您需要在上游励磁电源上添加一个断路器或 PTC 可复位保险丝,除非它已经限流。根据动态,即使在过压触发条件消失后,您也可能需要将磁场短路锁存数百毫秒,或者使用滞后。

这被称为“撬棍”过电压保护方案,在飞机电力系统中很常见,用于保护昂贵的航空电子设备免受交流发电机调节器故障的影响。这里的应用程序略有不同,但它应该也能正常工作。

三种替代解决方案:

  1. 将交流发电机输出短路而不是在某处倾倒过多的能量是非常安全的。大多数永磁交流发电机甚至通过 PWM 短路来调节。在这里,您只需将其短接这 200 毫秒,直到场消散。

选项:您可以将整流器上游的所有交流发电机绕组短接到负轨,在晶体管选择方面可能更简单。

  1. 如果您没有其他电源(如太阳能/风能/等),您可以通过让 BMS 断开交流发电机场来获得更好的结果。

  2. 你可以做一个交流发电机磁场反激电路,它能够快速消耗磁场能量。它是交流发电机输出的 1/20 甚至 1/100,而且任务相对容易。

我认为散热器上的晶闸管/ SCR 撬棒电路可以存活 200 毫秒。

除非不是将一根短的撬棍变成电阻。如果您真的担心,可以使用浸水电阻器(如热水箱加热元件)。我们在我的工作中使用这样的东西来实现连续的 4kW 负载。我们的设置是 4kW,是两个 10 加仑桶和四个 1500W 热水加热元件。由于您的脉冲是脉冲,您可能只需将所有加热元件塞入一个桶中即可。老实说,我什至不认为你需要水,但它是测试期间的安全网。也可用作虚拟测试负载。您可以制作一个在充电时吸收与电池相同电流的水桶,然后将撬棒插入另一个水桶。

这是一个传统的撬棍电路,除了增加了倾倒电阻。他们通常没有这个,只是很短。它将电路钳位在零附近,这会导致过电流烧断保险丝。

倾倒电阻是为了防止晶闸管通过耗散自身内部的功率而无法承受浪涌。与必须这样做并且压力更大的 MOV 和 TVS 不同。

如果晶闸管可以处理浪涌直到保险丝熔断并且撬棒通常不使用,那么您可能根本不需要倾倒电阻。这样钳位电压会低得多。

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

即使晶闸管无法处理它,只要它足够大,不会因爆炸和开路而失效,它就会短路失效,这就是你想要的。

因此,当撬棒锁存时,您基本上希望电压保持在 58V 或更低。几伏特将通过晶闸管下降,在 100A 时留下 56V。这意味着您需要 0.56 欧姆或更低。

例如,大型晶闸管(如 VS-T90RIA10)采用接受螺钉端子接线并直接用螺栓固定到散热器的封装。根据零件的不同,它们的成本在 50 美元到 200 美元之间。这里提到的部分成本约为 50 美元。

https://www.mouser.ca/ProductDetail/Vishay-Semiconductors/VS-T90RIA10?qs=u%252Bh7cTrMUz%2FI0KVPJO4JIg%3D%3D

在数据表中,它指出它可以处理超过 600A 的非重复半正弦波浪涌,持续 200 毫秒。 在此处输入图像描述

我认为它的成本不应该超过 200 美元:晶闸管、一些热水元件、一些水桶和一个铝块作为晶闸管的散热器。带翅片的实际散热器没有意义,因为脉冲持续时间不足以进行空气冷却。您只需要热容量,因此来自晶闸管的热量除了晶闸管外还有其他地方可以去。