阻斷二極體(Blocking Diodes)與雙向電源：選擇正確的反向能量保護

在高效能測試應用中，阻斷二極體為可程式直流電源系統提供了一種經濟高效且穩健的替代方案，以保護其免受損壞性反向電流的影響，相較於雙向電源。

可程式直流電源是現代電力電子研究和生產製造中的重要儀器，旨在模擬各種電氣條件。對於測試和測量工程師而言，高解析度回讀、響應動態負載的快速轉換速度以及編程複雜電源序列的能力等關鍵功能對於驗證設備性能和可靠性至關重要。

在許多先進的測試應用中，被測設備 (DUT) 並非簡單的無源電阻，它可能是一個有源或儲能系統，這會產生顯著的反向電流風險。當 DUT 的電壓高於電源輸出時，反向電流就會發生，將電流推回電源；這通常發生在馬達制動期間，或者當電源連接到不同電位的設備時，例如充電電池或電感器或電容器等無功負載。在這些應用中，DUT 可以瞬間從無源負載轉變為有源、不受管制的電源。

未經緩解的反向電流將迫使電源吸收而不是輸出能量，這與其設計作用相反，如果未設計為處理此能量，將對其輸出電路造成嚴重且不可修復的損壞。

反向能量保護架構

反向能量的挑戰帶來了一個關鍵的架構決策：是應該吸收能量還是簡單地阻斷它？答案決定了簡單、穩健的單象限系統是否足夠，或者是否真正需要雙向系統的複雜性。

帶有阻斷二極體(Blocking Diodes)的程式設計直流電源

標準的可程式直流電源是一種單象限設備，僅在電壓-電流 (V-I) 平面的第一象限運行，提供正電壓和正電流。其作用是將能量輸出到被測設備 (DUT)。最簡單、最基本的反向電流防禦是阻斷二極體。阻斷二極體是一種半導體設備，其功能類似於電子止回閥，只允許電流沿一個方向流動。當與電源的正輸出串聯時，二極體在正常運行期間處於正向偏置狀態，允許電流從電源流向 DUT，並產生少量正向電壓降。但是，如果 DUT 的電壓高於電源的電壓，二極體就會反向偏置，有效地形成一個開路，阻止有害的反向電流流回電源。這種簡單、穩健且被動的保護對於保護電力電子設備至關重要。

 

圖 1. 電池充電應用中的可程式直流電源，正極端子串聯有阻斷二極體。為說明目的，顯示了帶有內部輸出電容和洩放電阻的可程式直流電源。

 

雙向電源

雙向電源是一種雙象限設備，在電壓-電流 (V-I) 平面的第一象限（提供正電壓和電流）和第四象限（在正電壓下吸收電流）運行。其作用是無縫管理雙向能量流，既將能量輸出到被測設備 (DUT)，又從中吸收能量。電源通過執行複雜的多級轉換過程來處理這種反向能量，將吸收的直流能量轉換為高品質、符合電網標準的三相交流電，然後將其注入設施的電網。

實現雙向功率流的關鍵階段是主動前端 (AFE)，它用主動控制的半導體開關（例如碳化矽 (SiC) MOSFET）的全橋取代了典型的無源輸入二極體橋。該硬體經過智能控制，可執行兩種相反的功能。在提供功率時，AFE 的開關被調製以充當高效、功率因數校正 (PFC) 整流器。當反向能量迫使電流回流到設備時，AFE 的作用反轉，它作為並網逆變器運行，將多餘的直流能量轉換回交流電。AFE 的這種雙重用途、軟體定義的功能代表了第一個也是最基本層次的複雜性，需要複雜的控制系統和能夠處理雙向功率流的高功率組件；這與標準整流器的簡單、單向路徑截然不同。

 

選擇合適的架構：將保護與再生分離

工程師正確地識別出反向能量的風險，例如馬達的瞬時再生制動脈衝、與預充電電容器組的初始連接，或旋轉驅動器的反電動勢，但通常認為雙向電源是唯一的解決方案。然而，對於絕大多數測試應用而言，其主要功能是為設備供電，且反向能量事件是瞬時且可預測的，此時選擇雙向電源通常是錯誤的工具。

關鍵的見解是，這些反向能量窗口中的大多數都以毫秒為單位。在這些常見情況下，目標不是持續吸收能量，而只是在瞬態中存活下來。這就是堅固的單象限電源與適當指定的阻斷二極體相結合，呈現出更具優勢的架構的地方。這種方法側重於保護和隔離，而不是複雜的能量再生。阻斷二極體充當簡單的無源「止回閥」，將電源轉換為電流的單向通道。它不受主動控制問題的影響，其電壓降可以通過電源的遠程感測引線自動抵消，從而保持負載處的電壓精度。

當主要需求是提供電源時，這種阻斷而非吸收的策略會產生在工程和財務上都明顯優越的系統。在這些情況下，單象限架構在幾個關鍵原因上更具優勢：

• 更低的成本和複雜性：雙向電源由於其兩個功率轉換級和複雜的控制電路而顯著更昂貴。將更便宜的單象限電源與簡單的無源二極體配對是一種更具成本效益和可靠的解決方案。
• 增強的堅固性和可靠性：單象限電源經過優化，只做一件事：提供電源。雙向電源的複雜性，以及其管理雙向能量流和電網同步的需求，引入了更多潛在的故障點。
• 簡化安裝：雙向電源將能量再生到設施電網，這可能需要昂貴的設施審查和專用硬體，並可能產生諧波失真。二極體解決方案只是在源頭阻斷反向能量，消除了複雜的電網交互。
• 固有的安全性，沒有保護延遲: 阻斷二極體提供瞬時、故障安全保護. 相較之下，雙向電源具有保護延遲，因為它依賴主動控制從供電切換到吸收，這可能會失效或表現出乎意料.
• 更大的可擴展性: 雙向電源通常僅限於較小的功率模組 (5-10 kW)，需要並聯才能滿足高功率需求. 單象限架構可以構建成更大、單片的功率塊 (100 kW+)，顯著減少故障點、降低控制複雜性並簡化高功率測試系統.

對於真正需要連續、受控能量吸收的應用，例如生產電池循環、電動汽車動力總成測試或作為全時主動負載，雙向電源是合適的選擇. 但對於無數應用，其目標是為被測設備供電並簡單地防止瞬時反向能量，帶有工程阻斷二極體解決方案的單象限電源是更堅固、更具成本效益和更實用的工程選擇.

 

需要反向能量保護的應用

在一些常見的測試和測量應用中，反向電流保護是系統保護和測試完整性的重要組成部分.

直流馬達驅動

機電系統的一個基本原理是直流馬達也是一個發電機. 在運轉過程中，當馬達主動減速 (稱為再生制動的過程) 或當它被超載驅動時 (例如起重機放下重物)，它將動能轉換回電能. 這個過程在馬達的端子處產生反電動勢 (back-EMF). 這個反電動勢電壓很容易升高到電源設定的輸出電壓之上，導致顯著的反向電流流回電源.

高感性負載

感性負載，例如大型電磁鐵、螺線管，甚至長輸出電纜的寄生電感，將能量儲存在磁場中. 電感器會抵抗電流的變化；當電源的電流突然中斷時，例如，通過打開開關或關閉電源的輸出，崩潰的磁場會在電感器兩端產生一個反向極性的電壓尖峰. 這個尖峰的大小由方程式 V=L×(di/dt) 決定，其中 L 是電感，di/dt 是電流的變化率. 隨著電流的快速中斷，這個電壓尖峰可以達到數百甚至數千伏，對開關元件和電源本身構成嚴重威脅.

並聯不同電源

某些測試要求需要廣泛的不同電壓，這可以通過使用多個不同額定值的電源來解決. 如果較高電壓的電源將共享直流匯流排提高到並聯連接的較低電壓電源的最大額定值以上，則過電壓可能會損壞輸出電容器或二極體. 常見、堅固的解決方案是在較低電壓並聯連接電源的輸出串聯一個二極體. 這種技術隔離了較低電壓電源的輸出，防止在較高電壓並聯連接電源供電時接收反向能量.

連接未穩壓電源，如電池和電容器

 

當電源首次連接到儲能待測裝置 (DUT)，例如電池組、超級電容器組或燃料電池堆時，主要危險是在連接瞬間的暫時電壓不匹配。如果 DUT 的開路電壓高於電源的程式設定點，DUT 會短暫地成為電源，迫使反向電流湧入電源。這種湧入電流可能會災難性地損壞輸出元件。一旦兩個電壓相等，風險就會消失，因此可以透過兩種直接的方法來緩解：串聯阻斷二極體以防止初始接觸期間的任何反向電流，或電壓匹配（預充電），在閉合輸出繼電器之前將電源提升到 DUT 的電壓。

內部洩放電阻和防止不必要的放電

大多數電源在其輸出濾波電容器上包含一個內部洩放電阻。該電阻不僅在關機後洩放輸出電容器上儲存的電荷，消除任何觸電危險，而且還充當鎮流器，提供一個小負載，使穩壓器在空載或輕載條件下保持穩定。然而，在特定測試場景中，相同的電阻會變得有害：當電源連接到已通電的待測裝置 (DUT) 時，例如：電池、超級電容器或燃料電池堆，這些裝置的電壓絕不能低於最小電池電壓。對於這些負載，洩放電阻形成了一個意外的放電路徑。每當電源輸出被禁用時，電阻會繼續消耗電流，穩定地耗盡 DUT。

在電池循環壽命測試中，「靜置」階段需要真正的開路才能準確測量開路電壓；寄生洩放會破壞這些結果。對於燃料電池，風險更高：如果電池堆電壓降至製造商規定的閾值以下，單個電池可能會反向偏壓，導致不可逆的催化劑降解和性能損失。

表 1. 常見高功率應用、它們對電源造成的相關物理風險以及所需的主要保護機制摘要。

應用	物理現象	對電源的風險
直流馬達驅動	再生制動（反電動勢）	輸出級反向電流損壞
長電纜/電感器	感應電壓尖峰 (V=L×di/dt)	高壓瞬態損壞
並聯電源	電壓不匹配	來自較高電壓電源的反向饋電
電池/電容器充電	繼電器連接期間來自未穩壓電源的反向電流	極端
不必要的洩放放電	輸出禁用時透過電源內部洩放電阻的寄生放電路徑	無，但可能產生不必要的負載放電並將負載驅動至安全電壓水平以下

 

以阻斷二極體進行保護

雖然阻斷二極體的概念很簡單，但其在高功率系統中的實際實施是一項不容小覷的工程任務。選擇不合適的元件或未能正確管理其熱負載可能導致二極體故障，使電源失去保護。關鍵參數包括：

• 重複峰值反向電壓 (VRRM)：這必須超過負載可能達到的最高電壓，包括 25% 到 50% 的顯著安全裕度。
• 平均正向電流 (IF(AV))：二極體的額定值必須高於電源供應器將輸出的最大連續電流。
• 峰值正向浪湧電流 (IFSM)：這對於處理高浪湧電流至關重要，例如在為大型電容器充電時。
• 二極體類型：標準矽整流器堅固耐用，是高壓應用的理想選擇，而蕭特基二極體具有低得多的正向電壓降（0.2 V 至 0.5 V），更適用於需要最大限度減少熱量產生的低壓、高電流應用。

導通二極體不是一個完美的開關；它在其端子之間會產生正向電壓降 (VF)。此電壓降乘以正向電流，會導致功率以熱量形式耗散：

P_dissipated = VF * IF (1)

在高功率系統中，這很容易達到數百瓦，必須將其移除以使二極體的結溫保持在其最大額定值以下。正確管理此熱負載涉及計算熱量、選擇具有足夠熱阻的散熱器，並且通常使用強制空氣或液體冷卻。未能管理熱量是二極體故障的主要原因，而電氣和熱複雜性的結合使得預先設計、經過驗證的解決方案成為更可靠的策略。

一站式保護：Magna-Power 的阻斷二極體解決方案

鑑於實施穩健的阻斷二極體解決方案的電氣、熱和機械複雜性，自行組裝 (DIY) 方法需要大量的工程和時間投入。更可靠和高效的策略是部署一個完全設計、經過驗證的解決方案。Magna-Power 提供兩種不同的選項，旨在提供與其可程式設計直流電源供應器無縫整合的一站式保護。

整合式阻斷二極體 (+BD) 選項

對於無縫整合至關重要的應用，Magna-Power 在 5 kW 至 1 MW 的各種型號上提供整合式阻斷二極體 (+BD) 選項。此解決方案在訂購和製造時指定，由一個帶有內部安裝的客製化散熱器的保護二極體組成，所有這些都包含在電源供應器機箱內。

整合式阻斷二極體 (+BD) 選項的主要優點是其完全的操作透明度。電源供應器的電壓感測回饋連接在阻斷二極體之後的輸出端子。這意味著電源供應器的控制迴路會自動且持續地補償二極體的正向電壓降。對於使用者而言，保護是隱形的；電源供應器以其完全額定精度在輸出端子提供程式設計的電壓，無需任何手動偏移或複雜計算。它是直流馬達驅動、電池充電和為大型電磁鐵供電等應用的理想「設定即忘」解決方案，提供高達 1200 Vdc 的反向電壓保護。

外部 1U BDx 模組附加元件

對於要求最嚴苛的高功率應用，或用於改造現有系統，Magna-Power提供BDx模組。這款外接式1U機架安裝單元是一個全面、智慧的阻斷二極體系統，旨在提供極致的堅固性和安全性。

Magna-Power提供多種BDx模組，可為高達1,200 Vdc的系統提供保護，並可處理高達1,200 Adc的連續正向電流。它是一個真正的交鑰匙解決方案，具有完全整合的風扇冷卻系統和通用交流輸入、用於低損耗連接的重型鍍錫銅匯流排，以及專用的遠端感測端子，可簡化電壓降補償的接線。

BDx模組的獨特之處在於其整合的智慧功能。內建微處理器主動監測內部散熱器溫度。這將阻斷二極體從被動元件轉變為主動安全系統。該模組提供數位狀態輸出訊號，可連接到主電源的使用者I/O互鎖。如果BDx模組的冷卻系統失效並開始過熱，狀態訊號將改變狀態，觸發電源的互鎖以安全地關閉其輸出。這可以防止二極體因過熱而失效，並確保主電源永遠不會失去保護。這種整合的安全性和系統級監測水準幾乎無法透過簡單的DIY解決方案實現，對於關鍵任務測試環境而言，這代表著顯著的附加價值。

Magna-Power 1U BDx模組附加元件，提供高達1200 Vdc和高達1200 Adc的保護型號

耗散多餘能量

串聯阻斷二極體透過阻止反向電流來保護電源，但某些測試仍需要一種方法來處理在共用直流匯流排上短暫積聚的能量（例如，在馬達制動期間）。兩個簡單、與電源無關的附加元件可以解決這個問題，而無需訴諸於完整的雙向電源：（1）制動電阻斬波器，當電壓超過設定閾值時，它會將匯流排電流分流到功率電阻中，將多餘的能量轉化為熱量；（2）分流調節器模式(shunt-regulator mode)下的可程式直流電子負載（例如Magna-Power的ALx系列），它透過動態抽取足夠的電流來維持使用者定義的電壓，從而箝位匯流排。這兩種設備都與匯流排並聯，與阻斷二極體協同工作，讓您在安全處理那些罕見的再生能量爆發的同時，保持經濟高效的單象限架構。

區分阻斷二極體 Blocking Diode 與續流二極體 Free-Wheeling Diode

雖然阻斷二極體保護電源，但將其與續流二極體混淆是至關重要的，續流二極體專門為感性負載提供局部保護。當流向電感器（如馬達或螺線管）的電流突然中斷時，其崩潰的磁場會產生一個大且可能具有破壞性的電壓尖峰。續流二極體與感性負載或電源輸出並聯放置，為這種能量提供安全的循環和耗散路徑，從而保護敏感的開關元件，如繼電器或電晶體。區別至關重要：續流二極體保護負載處的局部開關，而阻斷二極體與電源串聯放置，以保護電源本身免受任何反向能量的影響。對於真正堅固的系統，通常兩者都需要，一個用於管理負載的自感能量，另一個用於防止任何能量到達電源。

結論

涉及直流馬達、感性負載、並聯電源以及電池和電容器等儲能設備的應用，存在反向能量流的潛在風險，可能導致設備損壞、測試失效和潛在的安全隱患。

阻斷二極體作為一個簡單但有效的電子止回閥來保護電源。然而,安全實施這個「簡單」的組件可能是一項複雜的工程任務. 正確的選擇需要仔細考慮反向電壓和正向電流等電氣參數, 而有效的操作則需要強大的熱管理解決方案來散發可能數百瓦的熱量.

Magna-Power 提供整合式阻斷二極體 (+BD) 選項和 BDx 模組等經過充分設計和驗證、系統整合的保護配件, 為安全可靠的測試提供統包解決方案.

 

 

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Originally published by Magna-Power Electronics