【华为】高压直流240V 25KW模块的热插拔电路分析和选型

百科   2025-01-13 11:40   广东  

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。公众号@电路一点通

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%-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:

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:


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。

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