高压直流240V25KW模块的热插拔电路分析和选型


设计要求:
(1) 热插拔过程中,输出电压跌落满足要求,且系统上的模块不能出现OCP(在系统上只有一个模块的最恶劣情况下);
(2) 选用的热插拔电阻和二极管,在使用过程中满足降额要求;
(3) 在热插入完成后,插进去的模块的输出电压必须基本等于系统的输出电压;
热插拔电路如下图红圈内所示,由热插拔电阻和二极管组成。
94cc91645e63479cb066d5dce8b6ec60~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

1. 现有模块热插拔电路
我司和华为现有模块的热插拔电路选型情况如下:
模块
热插拔电阻
输出电容
热插拔时间常数
长短针差距
插入速度
热插拔时间
热插拔时间除以时间常数
热插拔完成时,电容充电比例
热插拔完成时,两端电容电压差(最高输出电压时)
3KW模块1
1.6欧
1880uF
3.008ms
3.46mm
1m/s
3.46ms
1.15
68.3%
18.386V(58V)
300KW模块2
1.35欧
1880uF
2.538ms
3.46mm
1m/s
3.46ms
1.363
77.4%
13.108V(58V)
240V15KW模块
117欧
1900uF
222.3ms
4.4mm
//
1s
4.498
98.8%
3.48V(290V)
华为336
40欧
880uF
35.2ms
10.6mm
//
1s
94.34
100%
0



从上面的分析可知,在热插拔完成时,华为模块的电压完全等于输出电压,这是最好的效果;因此,这里要求热插拔时间常数为热插拔时间的1/5以下。在为1/5时,热插拔完成时,电容充电比例为99.3%,热插拔完成时,两端电容的电压差为2.03V(290V输出电压时)。

240V25KW模块的热插拔最短时间为1s,输出电容为2420uF。根据上述要求,则热插拔电阻的阻值不能大于82.625欧。

另外,由于在热插拔完成时,两个模块之间的输出电压基本相等,则输出电容充电的能量,基本等于热插拔电阻消耗的能量。则热插拔电阻在1s时间内,消耗的平均功率为:

1/2*C*U^2/1s = 101.761W

所选电阻的最大瞬态功率,要求不能低于290^2/82.625=1018W

2. 确定热插拔电阻阻值的下限
240V25KW模块规格书对热插拔有下面的要求:
f93334e5ea7e4c5881832750ba4f7525~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

下面进行240V25KW模块的仿真建模,以系统只有一个模块,输出电压为267.5V,带满载的情况时,插入另外一个模块,输出电压跌至不低于200V为标准,得出热插拔电阻的最小值要求。
仿真模型如下,将交错LLC简化为1路LLC,在20ms时进行热插拔。
ba2f1cd155944b2f9c7d4d0b5a567a86~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

在热插拔电阻取值为1欧时,仿真结果如下:
cab3ca77c4604414b076f420da7f7011~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

图中,Vout为系统上的输出电压,isense为流过热插拔电阻的电流。
改为0.6欧,结果如下:
cbd5c120270144768495aae3f3be5cd5~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

在热插拔电阻不低于0.6欧时,系统电压不会在热插拔时低于200V。

另外,热插拔时存在的另外一个问题是模块误报过流的问题。

在热插拔电阻为5欧时,

009a62306265439890596af6294104d5~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

图中,Vout为系统上的电压,isense为流过热插拔电阻的电流,i(LI6)为原边谐振电感上的电流。

此时,模块正常运行时,原边最大电流为124.42A,热插拔时原边最大电流为189.11A,为正常运行时电流为1.52倍。

热插拔电阻为7欧时:

b4bdf4e7c4c54c35899567612fd11755~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

热插拔时的原边最大电流为168.39A,为正常运行时的1.35倍。在此种情况下,原边电流比较安全,热插拔时模块不会出现OCP的情况。

因此,热插拔电阻初步选型的要求如下:

总阻值范围为:7欧-82.625欧之间

1s内的总平均功率不得低于:101.761W

总的瞬态功率不得低于1018W,瞬态功率最大值取决于所选电阻的阻值。

初步想采用15k现有的热插拔电阻进行组合,来做热插拔电路。15k的热插拔电阻为:
线绕电阻器-5W-39Ω-±5%-paint-Axial 小型化
其瞬态功率曲线如下:
d95b674c32d94453a4d6ca637bf80b63~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

从图中可知,其瞬态最大功率为为10000*5=50000W ,1s的平均瞬态功率为25*5=125W,单个电阻阻值为39欧。阻值、瞬态最大功率和1s平均功率都满足要求。

因此,初步选型为:1个39欧/5W的绕线电阻。

热插拔电路详细设计

下面对热插拔电阻整个热插拔过程中的瞬态功率进行仿真。由于整个热插拔过程中,输出电压跌幅不大,可建模如下,采用定步长0.01us进行仿真。

61fbd4ef9d4141029b7b040eee7b7a04~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

对仿真结果在EXCEL表里面进行处理,如下:

bbdc91e9828e41f28eb36b46c6995214~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

发现瞬态功率不能达标。
因此,采用2个电阻串联,总阻值为78欧,仿真并计算,得出单个电阻的瞬态功率如下:
7e50c701910847c48b169c1ce85d99ec~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

这个过程中,实际瞬态功率曲线都在电阻的瞬态功率曲线规格以下,满足要求。
因此,热插拔电阻的阻值选型为:

描述
单价
用量
热插拔电阻
线绕电阻器-5W-39Ω-±5%-paint-Axial 小型化
1.538
2PCS
二极管
整流二极管/600V/3A/267-03-
0.22
2PCS



采用水泥电阻做热插拔的选型

华为模块采用的是水泥电阻来做热插拔,采用的电阻型号是:RX911-1-5W20ΩJ,单价0.85元。我司有一个类似的水泥电阻,为RX911N-5W-20欧-±5%,单价为0.344元。相对于上面的绕线电阻器,有成本优势。

厂家提供了RX911-1-5W20ΩJ的瞬态功率曲线,如下:

4d00e1c103494fb49c75f811cdf6884b~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

仿真参数设置如下:


电阻
输出电压
输出电容
方案1
RX911-1-5W20ΩJ,2串,共40欧
400V
880uF
方案2
RX911-1-5W20ΩJ,3串,共60欧
290V
2420uF
方案3
RX911-1-5W20ΩJ,2串,共40欧
290V
2420uF



仿真结果如下:
2802a374cdca4ec68ac493f43ea50763~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

从仿真结果可见,华为在实际使用过程中,该电阻实际瞬态功率超标。我司如果要用该电阻,必须要用3PCS串联,使用2PCS的话,则瞬态功率也会超标。采用此方案,成本如下:

描述
单价
用量
热插拔电阻
RX911-1-5W-20欧
0.85
3PCS
二极管
整流二极管/600V/3A/267-03-
0.22
2PCS



总成本需2.99元。

采用我司有编码的料RX911N-5W-20欧-±5%,其瞬态功率曲线如下:

b17ac063f80f497c8fdcdcc99dde86de~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

仿真结果如下:

bdb54b049ab24c5db1ddf31b57971533~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

需要RX911-N-5W-20欧 4PCS串联。

则热插拔电路的初步选型如下:


描述
单价
用量
热插拔电阻
线绕电阻器-5W-20Ω±5%-13*9*25.5-5-无感水泥电阻,立式安装-
0.344
4PCS
二极管
整流二极管/600V/3A/267-03-
0.22
2PCS



总成本为1.816元。
成本对比
采用以前240V15KW用的绕线电阻,需要2PCS,加上热插拔二极管,总成本为3.516元;
采用华为用的水泥电阻,需要3PCS,加上热插拔二极管,总成本为2.99元;
采用水泥电阻RX911N-5W-20欧,需要4PCS,加上热插拔二极管,总成本为1.816元;
从成本上讲,初步选用RX911N-5W-20欧来做热插拔电阻。
放电电路

25k放电电路,也是使用热插拔电阻进行放电。假设从热插拔开始后1s,将模块拔出,该电阻的瞬态功率曲线如下:

9c7f0283aeef41d0bec3f5e53eb0ac29~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

电阻的瞬态功率超标。

从热插拔开始后1.3s,将模块拔出,该电阻的瞬态功率曲线如下:

66d57d4abfd14879891e362c27d348ca~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg

因此,为满足热插拔电阻的瞬态功率要求,在模块热插拔针开始接触后,最少需要过1.3秒,才能将模块拔出。

结论
热插拔电阻,采用4PCS (20欧/5W水泥电阻)串联实现。热插拔二极管,采用2PCS (600V/3A)并联实现。

来源:艾伊电源