高压直流240V25KW模块的热插拔电路分析和选型

发布时间: 2023-11-10 21:06:17 电子资讯发布人: 久芯网浏览量: 86

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。

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：

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。

在热插拔电阻取值为1欧时，仿真结果如下：

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：

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，

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：

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：

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。

对仿真结果在EXCEL表里面进行处理，如下：

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：

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：

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：

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：

仿真结果如下：

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%-13925.5-5-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。