交流转直流电源可用于需要将交流电源的电力输送到需要固定或可变直流电压或电流的负载的应用中。虽然此类设备几乎没有输入和输出连接，但工程师经常难以在特定环境中获得可靠的性能。棘手的问题可能包括交流电源的质量、冷却限制、控制线路、空气质量或用户对电源转换产品的理解。本文介绍了一些常见的陷阱，并提供了有关如何在特定应用中获得性能的见解。
　　奇怪的是，将交流电转直流电连接到电源上经常会出现问题。世界各地的电源电压各不相同，从日本的 200 Vac 到欧洲的 690 Vac。线路频率也在 50 到 60 Hz 之间变化，但对于当今的开关电源，频率通常对性能影响不大。
　　每年，Magna-Power Electronics 都会接到客户电话，称客户的电源由于连接到错误的交流电源电压而发生故障。阅读电源后盖上的规格标签并测量施加的电压可以防止灾难性和代价高昂的故障。
　　电能质量，即施加到电源上的电压的纯度，可能是某些意外行为的根源。配电系统及其相关变压器和配电阻抗可能会与电网上的其他负载一起产生电压下降或浪涌；这些负载可能会循环谐波电流并激发电感和电容元件之间的共振。具有 6 脉冲波形的工业电源具有强大的 5 次和 7 次谐波分量。可再生能源及其相关的电力转换设备也会影响施加到电源上的电压。
　　如上所述，谐波和交流电源上的电压瞬变会损坏电源转换电路的前端。电压瞬变可以用压敏电阻或其他电压钳位装置抑制，但这些装置也有其局限性；它们只能吸收有限的能量。电力线谐波的破坏性可能更大，因为这些电压偏移会持续更长的时间。为了解决这类问题，Magna-Power Electronics 使用额定电压为 1600V 的前端组件。这个额定电压足以应对除雷击之外的大多数电力线条件。
　　相位旋转是三相电源的线电压相位关系。虽然存在标准，但工业设施中的相位关系可能会有所不同。如果相位不正确，电机可能会反向运转，使用 SCR 的电源可能会失火。现代 SCR 电力处理设备通过感应和校正相位旋转变化来规避 SCR 触发电路问题。
　　接地
　　工业安装中经常会遇到接地问题。许多电气承包商对正确接地了解甚少，在许多情况下，经常会发现不连续的接地连接。电源接地的主要目的是确保安全和抑制 EMI。接地将保护外壳置于安全位置，或与周围设备之间的电压差接近零。在电源内部，接地连接与 EMI 滤波器一起使用，以使电流的高频分量远离输入和输出连接，并保持在电源外壳的范围内。
　　根据电气规范和安全观点，接地连接应只有一个；接地连接应在建筑物的电气入口处进行，即计量设备的位置。正是在此点，地线和中性线连接在一起，并将接地棒插入地面。如果设施的设备接线正确，则接地路径中应该只有少量电流流动。如果发生雷击，整个设施的电压电位将上升到相同的水平，从而保护物体或人员免受危险的电压差的影响。
　　不幸的是，并非所有电源系统都符合规范，一个常见问题是计算机和仪器设备使用的接地与电源设备的电压电位不同。虽然 Magna-Power Electronics 的电源试图适应这种情况，但有时用户和电源设备之间的接地不良会导致电源行为异常。常见的问题是电源和计算机设备之间失去通信。在大多数情况下，用户界面设备和电源之间的接地连接可以解决这个问题。
　　某些应用需要连接到外部监控或控制电路。许多（如果不是大多数）电源都具有参考输出端子的误差和反馈电路。如果没有适当的隔离（如光隔离器），如果外部电路和电源负载接地，则可能会形成接地环路。如果外部电路接地并且电源负载悬空，则会导致控制错误。在这种情况下，传导 EMI 会指向外部电路的接地引线。
　　Magna-Power Electronics 通过将所有控制置于接近地电位的位置，规避了许多接地问题。接地参考是通过电阻器和并联电容器的连接建立的。这些组件可保护电源和外部连接电路免受不良接地环境的影响，同时提供适当的阻抗以抑制 EMI。
　　即使电源系统正确接地，EMI 产生源也可能在接地电路中产生电压电位，从而引发问题。接地电路的阻抗会随着频率的增加而增加，EMI 源（取决于其在电源系统中的位置）可能会在外部监控和控制电路之间引入电压。与接地条件不佳一样，将外部设备连接到电源可缓解此类电气噪声问题。
　　电源包含产生热量的组件：变压器、电感器、功率半导体等。无论效率如何，所有这些组件都需要冷却。较小的电源有时依赖自然对流，但较大的设备需要强制空气或水冷却。水冷装置非常适合空气质量较差的应用或无法满足气流要求的高密度机架安装。用户引入的冷却问题是 Magna-Power Electronics 现场故障退货的主要原因。
　　对于需要强制风冷的电源，通风口堵塞、空气质量差和机柜外壳内的空气不流通都可能导致热问题。通风口堵塞显然会导致设备故障。在关键组件上放置热传感器可以帮助检测这种滥用，但实际可能性有限。避免机柜通风堵塞可确保设备寿命达到制造商的预期。
　　将电源置于设备外壳内也会导致热问题。电源内部的气流需要与外壳内部的气流相同。设备外壳自热是一个常见问题。进气口和排气口位置不当会导致暖空气重新加热，并且永远不会排到外部。设备外壳冷却的保守方法是将进气口置于外壳底部，将额定流量为每分钟立方英尺的风扇置于外壳顶部。为了限度地减少风扇压力和空气阻力，外壳底部的通风口应与顶部的通风口相等。
　　空气质量差的环境通常会影响电源外壳内部。印刷电路板的设计电压有时可达几千伏。灰尘、油漆和其他微粒层可能会导致电气故障。在外壳内放置空气过滤器来净化进入的空气可以限度地减少这个问题，但这些过滤器的清洁不当又会带来另一个问题。空气质量差和过滤问题之间几乎没有好的平衡。在极其恶劣的环境条件下，密封电源并利用水冷是热量管理和获得可靠运行的选择。
　　　在恶劣环境下使用水冷可以解决许多应用问题。MagnaPower Electronics 使用热传感器来控制水流，以防止散热器组件中出现冷凝现象。遵循制造商对水温、流速和压力的规范对于确保水冷设备正常运行至关重要。流出的热水可以用热交换器、水对空气或水对水进行冷却，在闭环系统中进行冷却，也可以在开环系统中处理。　　许多应用需要外部设备来监控和控制电源参数。除了确保电气连接不超过制造商的额定值外，电缆的放置也至关重要。交流到直流电源的输入和输出端子处的电压和电流包含瞬变、EMI 和谐波形式的高频分量。将控制和监控电缆与电力传输电缆并行放置会产生不可预测的结果。建议将任何控制或监控电缆单独布线，尽可能使用自己的金属导管。
　　输出电压或电流的调节取决于对所需输出参数的采样并将其调整为比较参考。参考和输出采样参数都可以在电源外部。通常部署输出电压的远程感测，以限度地减少连接到负载的导线中的电压降。正确使用远程感测可在负载点提供出色的调节。
　　切换远程感应连接或配置电源进行远程感应而不连接远程感应引线是一种常见但错误的做法。电源在未采样输出参数的情况下运行可能会损坏电源中的输出组件或损坏负载。如果没有输出参数可控制，反馈电路会将输出电压或电流驱动到值。非稳压输出可能会超过电源组件的安全输出额定值。
　　解决这一潜在问题的常用方法是在输出端子和远程感应端子之间添加电阻。配置电源进行远程感应并移除远程感应引线会导致输出电压略高于标称条件。高于标称条件的偏差是电源内部本地感应电阻的函数。
　　当切换远程感应和电源线时，远程感应可能会变得复杂。图 1 显示了一个常见且配置错误的系统应用；输出端子定义为 VO+ 和 VO，电压感应端子定义为 VS+ 和 VS-。部署此配置是为了使用同一电源将电源和远程感应引线切换至不同的负载。电子反馈电路通常比机械继电器和接触器的切换更快，并且在切换瞬间，电源无需感应输出即可运行。此配置的另一个问题是，仅在连接感应电路的情况下运行电源，继电器 K2 开启，继电器 K1 关闭。这实际上会使感应引线连接通过负载短路。当电源以功率运行时，这会导致保护电阻 R1 和 R2 与负载串联。
　　　图 1 使用内部电阻的远程感应保护

　　Magna-Power Electronics 使用替代方法进行远程感应保护，但它也有一些缺点。如图 2 所示，在通电周期开始时，通过电源内部的电子开关测试远程感应电压 VSX+ 减去 VSX-。电源在通电周期开始时使用本地感应。然后，它快速切换到远程感应端子，速度比反馈系统的响应更快，以确定远程感应引线是否连接到负载。如果有电压，电源将保持远程感应配置，如果没有，则重新建立本地感应连接。除了用户在通电周期后切换或移除远程感应连接外，该方案运行良好。

　　具有内部电压感应的远程感应保护
　　图 2 具有内部电压检测的远程检测保护
　　恶劣的负载条件
　　输出电流纹波
　　交流转直流电源通常在电源的输出端之间连接电容器。这些电容器提供分流路径，以减少电源转换过程中产生的不需要的交流电流。这些电容器具有内部串联电阻，当受到交流电流时，会产生功率损耗，从而产生热量。

　　如果负载产生的交流电流增加到电源产生的电流中，那么将电容器电流保持在可容忍的范围内可能会成为一个问题。这种情况可以通过将开关型负载（如降压转换器）连接到电源的输出端子来创建。如图 3 所示，电源将吸收一个分量交流负载电流，具体取决于电容器 C1 和 C2 的内部串联电阻 R1 和 R2 的比率。

　
　　图3 吸负载电流纹波电流
　　重复短路操作
　　与过大的输出电流纹波一样，输出电容器（尤其是铝电解电容器）也可能会因电源输出端短路而损坏。峰值电流仅受输出电容器内部串联电阻和连接电缆的引线阻抗的限制。电容器中存储的能量会以热量的形式释放；反复短路输出端可能会导致性能下降或灾难性故障。薄膜电容器（例如采用聚丙烯薄膜的电容器）的耗散因数较低，并且比铝电容器更能承受滥用，但这些电容器在给定尺寸下具有较低的电容额定值，从而影响滤波性能。输出纹波性能和可靠的重复短路操作之间的权衡是一个设计约束。
　　反馈电压
　　直流电源经常连接到具有自身能量源的负载或产生超过电源额定值的电压和电流的负载。典型的例子是电池负载、直流电机和电机控制器；这些负载能够双向流动。
　　图 4 采用二极管的反馈电压保护
　　将电池连接到电源的输出端会导致输出电容器快速充电并产生过大的输出电流。如图 4 所示，在电源输出和电池之间放置一个串联二极管 D1，可防止电压反馈到电源的输出端。将电源配置为负载处的远程感应，可消除二极管电压偏移。此外，当电源关闭时，二极管可防止电池通过电源放电。（交流到直流电源通常在输出电容器上具有泄放电阻器，以便在电源关闭时释放任何存储的电荷。）
　　直流电机和电机控制器组合可以在尝试再生能量时反馈电压。如果电源无法耗散能量，其输出电压将浮动在电机或控制器产生的电压上。如前所述，放置二极管可防止电源输出超过其额定电压。
　　反向电压
　　大多数交流到直流电源在终输出功率处理阶段使用二极管或同步整流器电路配置。这些组件将输出电压反向箝位到几伏。只要输出电流保持在电源的额定值范围内，加载电源以产生反向电压通常不会给输出级（包括铝电解电容器）带来任何可靠性问题。如果允许电流超过额定值，则使用反向电压源（例如电池）可能会损坏输出功率半导体。如图 5 所示，可以使用串联的快速熔断直流保险丝 F1 和二极管 D1（其浪涌额定值超过保险丝的 i2t）来实现反向电压保护。使用这种保护方案，反向电压连接将通过强制电流通过保护二极管来清除保险丝。
　　带二极管和保险丝的反向电压保护
　　图 5 使用二极管和保险丝的反向电压保护