6ES7405-0KA02-0AA0西門子

德國(guó)西門子（SIEMENS）公司生產(chǎn)的可編程序控制器在我國(guó)的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，在冶金、化工、印刷生產(chǎn)線等領(lǐng)域都有應(yīng)用。西門子（SIEMENS）公司的PLC產(chǎn)品包括LOGO、S7-200、S7-1200、S7-300、S7-400等。 西門子S7系列PLC體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強(qiáng)，可靠性高。S7系列PLC產(chǎn)品可分為微型PLC（如S7-200），小規(guī)模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等

SIEMENS西門子

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：瞿曉明（）

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24銷售技術(shù)：

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：132-4375-156

發(fā)貨地址：上海市松江區(qū)思賢路2399弄185號(hào)

Overview

• 功能強(qiáng)大的PLC，滿足中、高性能要求。
• 要求zui苛刻的任務(wù)的解決方案。
• 品種齊全的模塊和性能分級(jí)的 CPU，適應(yīng)自動(dòng)化任務(wù)。
• 通過(guò)簡(jiǎn)單實(shí)施分布式結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)靈活的使用；操作簡(jiǎn)單的連接方法。
• 的通訊和網(wǎng)絡(luò)連接選件。
• 方便用戶和簡(jiǎn)易的無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)。
• 當(dāng)控制任務(wù)增加時(shí)，可自由擴(kuò)展。
• 多CPU運(yùn)行：
  多個(gè) CPU 在一個(gè) S7-400 *機(jī)架中同時(shí)運(yùn)行。
  通過(guò)多處理器計(jì)算擴(kuò)大 S7-400 的整體性能。例如，復(fù)雜的任務(wù)可以分解為各種技術(shù)，如開(kāi)環(huán)控制、計(jì)算或通訊，并分配給不同的 CPU。每個(gè) CPU 可以自我在本地分配。
• 模塊化：
  功能強(qiáng)大的 S7-400 背板總線和可以直接連接到 CPU 的通訊接口可以實(shí)現(xiàn)許多通訊線路的高性能操作。例如，這樣可以具有一條用于 HMI 和編程任務(wù)的通訊線路，一條用于高性能、等距運(yùn)動(dòng)控制組件的通訊線路和一條“正常”I/O 現(xiàn)場(chǎng)總線。還可以執(zhí)行額外需要的與 MES/ERP 系統(tǒng)或 Internet 的連接。
• 工程和診斷：
  尤其是在使用采用高性能工程組件的大量自動(dòng)化解決方案時(shí)，使用 SIMATIC 工程工具可以極為有效地組態(tài)和編程 S7-400。提供了可用于該用途的高級(jí)語(yǔ)言（如 SCL）、用于順序控制的圖形工程工具、狀態(tài)圖和技術(shù)圖。

Area of application6ES7405-0KA02-0AA0西門子

擁有中端到性能的功能強(qiáng)大的 SIMATIC S7-400 PLC。

模塊化、無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)，高度的擴(kuò)展能力，全面的通訊和網(wǎng)絡(luò)能力，方便實(shí)施的分布式結(jié)構(gòu)，以及用戶友好的運(yùn)行處理，使得SIMATIC S7-400是中、高性能應(yīng)用中滿足特別復(fù)雜的控制任務(wù)的理想的解決方案。

SIMATIC S7-400 的應(yīng)用領(lǐng)域包括：

• 汽車工業(yè)（如生產(chǎn)線）
• 機(jī)床，包括機(jī)床制造
• 倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)
• 鋼鐵工業(yè)
• 樓宇管理系統(tǒng)
• 發(fā)電和配電
• 造紙和印刷業(yè)
• 木材加工
• 食品、飲料和煙草工業(yè)
• 過(guò)程工程，如：供水和污水處理
• 化工和石化
• 儀表和控制
• 包裝機(jī)械

多種性能等級(jí)的CPU，具有用戶友好功能的全系列模板，可以為用戶的自動(dòng)化控制任務(wù)提供定制的解決方案。

當(dāng)控制任務(wù)提高時(shí)，通過(guò)使用附加模塊對(duì)控制器進(jìn)行擴(kuò)展，可以隨時(shí)、輕松地滿足控制需求。

SIMATIC S7-400 應(yīng)用范圍廣泛：

• 具有高電磁兼容性和抗震性，可zui大限度地用于工業(yè)領(lǐng)域。
• 可帶電連接、斷開(kāi)模塊。

SIMATIC S7-400 滿足國(guó)內(nèi)和標(biāo)準(zhǔn)：

• DIN, EN, IEC
• UL 認(rèn)證
• CSA 認(rèn)證
• FM Class 1 DIv. 2；Group A、B、C 和 D；溫度組別 T4 (≤ 135 °C)
• 船級(jí)社認(rèn)證
  • 美國(guó)船級(jí)社
  • 法國(guó)船級(jí)社
  • 挪威船級(jí)社
  • 德國(guó)船級(jí)社
  • 英國(guó)勞氏船級(jí)社
• 允許環(huán)境溫度 0°至60 °C
• 地震保護(hù)

Design

S7-400采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。含有多種模塊，可進(jìn)行單獨(dú)組合。

一個(gè)系統(tǒng)包含下列組件：

• 電源模塊(PS)：
  用于將 SIMATIC S7-400 連接到 120/230 V AC 或 24 V DC。
• CPU：
  帶有集成 PROFIBUS DP 接口的不同 CPU 可用于不同的性能范圍，根據(jù)類型，還可帶有集成 PROFINET 接口。PROFIBUS 接口zui多可連接 125 個(gè) PROFIBUS DP 從站。zui多 256 個(gè) PROFINET IO 設(shè)備可連接到 PROFINET 接口。SIMATIC S7-400 的所有 CPU 均具有*的數(shù)量框架。此外，可通過(guò)多個(gè) CPU 在一個(gè)*控制器中一起工作，使用多處理器計(jì)算提高性能功率。由于具有有效的處理速度和較快的響應(yīng)時(shí)間，所以CPU可以縮短機(jī)器的循環(huán)時(shí)間。
• 信號(hào)模板（SM），用于數(shù)字量（DI/DO）和模擬量（AI/AO）的輸入/輸出。
• 用于連接網(wǎng)絡(luò)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的通訊處理器 (CP)。
• 功能模板（FM）：
  用于解決計(jì)數(shù)、定位和凸輪控制等復(fù)雜任務(wù)的專家。

根據(jù)客戶需要，還可以使用以下設(shè)備：

• 接口模板(IM)：
  用于連接*控制器和擴(kuò)展單元。SIMATIC S7-400 的*控制器zui多可與 21 個(gè)擴(kuò)展單元一起操作。
• SIMATIC S5 模塊：
  SIMATIC S5-115U/-135U/-155U 的所有輸入/輸出模塊可在相關(guān)的 SIMATIC S5 擴(kuò)展模塊中尋址。此外，還可以在 S5 EU 和*控制器使用 SIMATIC S5 的某些 IP 和 WF 模塊（使用適配器套管）。

擴(kuò)展

如果用戶執(zhí)行自動(dòng)化任務(wù)不只需要*控制器，還可以擴(kuò)展 S7-400：

• zui多 21 個(gè)擴(kuò)展單元：
  zui多可將 21 個(gè)擴(kuò)展單元 (EU) 連接到*控制器 (CC)。
• 通過(guò)接口模板連接(IM)：
  CC 通過(guò)發(fā)送和接收 IM 連接到 EU。發(fā)送 IM 插到 CC 中，相關(guān)的接收 IM 插到相關(guān)的串聯(lián) EU 中。zui多可將 6 個(gè)發(fā)送 IM 插到 CC 中（5 伏傳輸時(shí)，zui多可插入 2 個(gè)），可將 1 個(gè)接收 IM 插到每個(gè) EU 中。每個(gè)發(fā)送 IM 具有 2 個(gè)接口，每個(gè)接口用于連接一條線路。zui多可將 4 個(gè) EU（不使用 5 伏傳輸）或 1 個(gè) EU（使用 5 伏傳輸）連接到發(fā)送 IM 的每個(gè)接口。
• 電源模塊的固定插槽：
  通常，必須在zui左側(cè)連接 CC 和 EU 中的電源模塊。
• 限制通過(guò) C 總線的數(shù)據(jù)交換：
  只可在 CC 和六個(gè) EU（EU 1 至 EU 6）之間通過(guò) C 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
  數(shù)據(jù)交換。
• *擴(kuò)展：
  建議執(zhí)行較小的組態(tài)或直接在機(jī)器上安裝控制柜。此處還可以選擇傳輸 5 伏電壓。
  • CC和zui后一個(gè)EU間的zui大距離：
    1.5 m(帶5V電源傳送)；3 m (不帶5V電源傳送)。
• 用EU進(jìn)行分布式擴(kuò)展：
  建議將多個(gè) EU 位于一個(gè)位置的設(shè)備分散在較廣的區(qū)域中。可使用 S7-400 EU 或 SIMATIC S5 EU。
  • CC和zui后一個(gè)EU間的zui大距離：
    使用 S7 EU 時(shí)，距離 100 m；使用 S5 EU 時(shí)，距離 600 m。
• 有關(guān) S7-400 的 S5 擴(kuò)展單元分布式連接的信息：
  IM 463-2 可在 S7-400 的 CC 中使用，IM 314 可在 S5-EU 中使用?？蓪⑾铝?S5-EU 連接到 S7-400：
  • EU 183U
  • EU 185U
  • EU 186 U
  • ER 701-2
  • ER 701-3
• 用ET200進(jìn)行分布式擴(kuò)展：
  建議將設(shè)備分散在非常廣的區(qū)域中?？赏ㄟ^(guò) CPU 的 PROFIBUS DP 接口連接zui多帶有 125 個(gè)總線節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)鏈。23 km（采用光纖電纜）。

通訊

SIMATIC S7-400 配備不同的通訊機(jī)制：

• 組合多點(diǎn)接口 MPI 和 DP 主站，集成到所有 CPU 中：
  用于 PG/PC、HMI 系統(tǒng)、S7-200 和 S7-300 系統(tǒng)以及其它 S7-400 系統(tǒng)的同時(shí)連接。
• 附加 PROFIBUS DP 接口，集成到多個(gè) CPU 中，實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比分布式輸入/輸出系統(tǒng)（例如，ET 200）連接。
• PROFINET CPU 上的集成 PROFINET 接口，用于連接到分布式輸入/輸出系統(tǒng)，或與其它控制器和 PC 系統(tǒng)的通訊。
• 通訊模塊，用于連接到 PROFIBUS 和工業(yè)以太網(wǎng)總線
• 通訊模塊，用于功能強(qiáng)大的點(diǎn)到點(diǎn)連接。

通過(guò)PROFIBUS DP進(jìn)行過(guò)程通訊

SIMATIC S7-400 可以作為主站通過(guò) S7-400-CPU（可選）的集成 PROFIBUS DP 接口與 PROFIBUS DP 連接。

可將下列設(shè)備作為主站連接到 PROFIBUS DP：

• SIMATIC S7-400 (CPU, CP 443-5, IM 467)
• SIMATIC S7-300 (CPU, CP 342-5 DP 或 CP 343-5)
• SIMATIC C7 (使用帶 PROFIBUS DP 接口的 C7 或 PROFIBUS DP CP)
• SIMATIC S5-115U/H、S5-135U 和 S5-155U/H，帶IM 308
• 帶 PROFIBUS DP 接口的 S5-95U
• 帶 PROFIBUS DP 接口的 SIMATIC 505

安裝有 STEP 7 或 OP 的編程設(shè)備/PC 可在總線上用作主站，但只可使用 PG 和 OP 功能，還可通過(guò) PROFIBUS DP 執(zhí)行某些功能。

以下設(shè)備可作為從站連接：

• 分布式 I/O 設(shè)備，例如 ET 200
• 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備
• SIMATIC S7-200, S7-300
• C7-633/P DP, C7-633 DP, C7-634/P DP, C7-634 DP, C7-626 DP
• SIMATIC S7-400 (只有通過(guò) CP 443-5)

使用多點(diǎn)接口(MPI)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊

MPI是集成在SIMATIC S7-400的CPU中的一個(gè)通訊接口。

它可用于下列操作：

• 編程和參數(shù)化
• 操作員控制和監(jiān)視
• 建立連接對(duì)等通訊端的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
• 可選擇的連接選項(xiàng)：
  MPI 可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)連接 32 個(gè)節(jié)點(diǎn)：
  • PG/PC
  • HMI 系統(tǒng)
  • S7-200 (作為從站)
  • S7-300
  • S7-400
  • C7
• 通訊連接：
  S7-400 CPU zui多可以同時(shí)建立 64 個(gè)連接（取決于 CPU 類型）：
  • 連接節(jié)點(diǎn)
  • 連接相關(guān) C 總線（內(nèi)部通訊總線，請(qǐng)參閱下面的內(nèi)容）上的 C 總線節(jié)點(diǎn)（例如，通訊模塊）
  • 連接通過(guò)通訊模塊連接的節(jié)點(diǎn)，例如，工業(yè)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。通訊模塊必須為 C 總線節(jié)點(diǎn)。
• 內(nèi)部通訊總線(C-bus)；
  通過(guò) S7-400 的 C 總線使用 CPU 的 MPI 或 DP 接口可以訪問(wèn)帶有 C 總線連接的通訊模塊和功能模塊。這可以從編程設(shè)備直接訪問(wèn)在 C 總線上連接的模塊。通過(guò)接口模塊可以將 C 總線zui多擴(kuò)展為 6 個(gè)擴(kuò)展單元。
• MPI 的性能數(shù)據(jù)：
  • zui多 32 個(gè) MPI 站
  • 傳輸速率高達(dá) 12 Mbit/s
• 靈活的安裝方式：
  可靠的組件用于建立 MPI 通訊： PROFIBUS 和“分布式 I/O”系列的總線電纜、總線連接器和 RS 485 中繼器 (12 Mbit/s)。
  它們?cè)试S組態(tài)地滿足要求。因此，例如，zui多可串聯(lián) 9 個(gè)中繼器以橋接任何兩個(gè) MPI 節(jié)點(diǎn)之間較長(zhǎng)的距離。
• DP主站：
  還可將 S7-400 的 MPI 作為 DP 主站組態(tài)?？偣部梢赃B接 32 個(gè) DP 從站，傳輸速率高達(dá) 12 Mbit/s。保留編程功能和 HMI 功能

通過(guò) CP 進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊(點(diǎn)到點(diǎn))

使用 CP 441 通訊模塊可以實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。

• 多種連接選件：可以連接以下設(shè)備：
  • PC
  • SIMATIC S5/S7
  • 工業(yè)PC
  • 其他供應(yīng)商提供的 PLC
  • 掃描儀、條形碼閱讀器、識(shí)別系統(tǒng)
  • 機(jī)器人控制器
  • 打印機(jī)
• 可變接口：
  可互換的接口模塊可實(shí)現(xiàn)與不同物理傳輸介質(zhì)的通訊：
  • 20 mA (TTY)
  • RS 232C (V.24)
  • RS 422/485

通過(guò) CP（PROFIBUS 或工業(yè)以太網(wǎng)）的數(shù)據(jù)通訊

可以通過(guò) CP 443-x 通訊模塊將 SIMATIC S7-400 連接到 PROFIBUS 和工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)

可以連接以下設(shè)備：

一般來(lái)說(shuō)，這類模塊稱為負(fù)載點(diǎn) (POL) 電源供應(yīng)系統(tǒng)或使用點(diǎn)電源供應(yīng)系統(tǒng) (PUPS)。由于模塊式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)甚多，因此模塊電源廣泛用于交換設(shè)備、接入設(shè)備、移動(dòng)通訊、微波通訊以及光傳輸、路由器等通信領(lǐng)域和汽車電子、航空航天等。

尤其近幾年由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展和分布式供電系統(tǒng)的不斷推廣,模塊電源的增幅已經(jīng)超出了一次電源。模塊電源具有隔離作用，抗*力強(qiáng)，自帶保護(hù)功能，便于集成。隨著半導(dǎo)體工藝、封裝技術(shù)和高頻軟開(kāi)關(guān)的大量使用,模塊電源功率密度越來(lái)越大,轉(zhuǎn)換效率越來(lái)越高,應(yīng)用也越來(lái)越簡(jiǎn)單。

人們?cè)陂_(kāi)關(guān)電源技術(shù)領(lǐng)域是邊開(kāi)發(fā)相關(guān)的電力電子器件，邊開(kāi)發(fā)開(kāi)關(guān)變頻技術(shù)，兩者相互促進(jìn)推動(dòng)著開(kāi)關(guān)電源每年以超過(guò)兩位數(shù)字的增長(zhǎng)率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源可分為AC/DC和DC/DC兩大類，DC/DC變換器現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)模塊化，且設(shè)計(jì)技術(shù)及生產(chǎn)工藝在國(guó)內(nèi)外均已成熟和標(biāo)準(zhǔn)化，并已得到用戶的認(rèn)可，但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問(wèn)題。以下分別對(duì)兩類開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和特性作以闡述

直流斬波

編輯

DC/DC變換是將可變的直流電壓變換成固定的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式Ts不變，改變ton(通用)，二是頻率調(diào)制（

（1）Buck電路——降壓斬波器，其輸出平均電壓U0小于輸入電壓Ui，極性相同。

（2）Boost電路——升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于輸入電壓Ui，極性相同。

（3）Buck－Boost電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。

（4）Cuk電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電容傳輸。還有Sepic、Zeta電路。

上述為非隔離型DC-DC變換器電路，隔離型DC-DC變換器有正激電路、反激電路、半橋電路、全橋電路、推挽電路。

當(dāng)今軟開(kāi)關(guān)技術(shù)使得DC/DC發(fā)生了質(zhì)的飛躍，美國(guó)VICOR公司設(shè)計(jì)制造的多種ECI軟開(kāi)關(guān)DC/DC變換器，其zui大輸出功率有300W、600W、800W等，相應(yīng)的功率密度為(6.2、10、17)W/cm3，效率為（80～90）%。日本TDK-Lambda公司推出的一種采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的高頻開(kāi)關(guān)電源模塊RM系列，其開(kāi)關(guān)頻率為（200～300)kHz，功率密度已達(dá)到27W/cm3，采用同步整流器（MOSFET代替肖特基二極管），使整個(gè)電路效率提高到90%。

變換

編輯

AC/DC變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負(fù)載的稱為“整流”，功率流由負(fù)載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因必須經(jīng)整流、濾波，因此體積相對(duì)較大的濾波電容器是*的，同時(shí)因遇到安全標(biāo)準(zhǔn)（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、、FCC、CSA），交流輸入側(cè)必須加EMC濾波及使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化，另外，由于內(nèi)部的高頻、高壓、大電流開(kāi)關(guān)動(dòng)作，使得解決EMC電磁兼容問(wèn)題難度加大，也就對(duì)內(nèi)部高密度安裝電路設(shè)計(jì)提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開(kāi)關(guān)使得電源工作損耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進(jìn)程，因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法才能使其工作效率達(dá)到一定的滿意程度。

AC/DC變換按電路的接線方式可分為，半波電路、全波電路。按電源相數(shù)可分為，單相、三相、多相。按電路工作象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。

開(kāi)關(guān)電源的選用

開(kāi)關(guān)電源在輸入抗干擾性能上，由于其自身電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（多級(jí)串聯(lián)），一般的輸入干擾如浪涌電壓很難通過(guò)，在輸出電壓穩(wěn)定度這一技術(shù)指標(biāo)上與線性電源相比具有較大的優(yōu)勢(shì)，其輸出電壓穩(wěn)定度可達(dá)(0.5～1）%。開(kāi)關(guān)電源模塊作為一種電力電子集成器件，在選用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

電流選擇

編輯

因開(kāi)關(guān)電源工作效率高，一般可達(dá)到80%以上，故在其輸出電流的選擇上，應(yīng)準(zhǔn)確測(cè)量或計(jì)算用電設(shè)備的zui大吸收電流，以使被選用的開(kāi)關(guān)電源具有高的性能價(jià)格比，通常輸出計(jì)算公式為：

Is=KIf

式中：Is—開(kāi)關(guān)電源的額定輸出電流；

If—用電設(shè)備的zui大吸收電流；

K—裕量系數(shù)，一般取1.5～1.8；

保護(hù)電路

編輯

開(kāi)關(guān)電源在設(shè)計(jì)中必須具有過(guò)流、過(guò)熱、短路等保護(hù)功能，故在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)*保護(hù)功能齊備的開(kāi)關(guān)電源模塊，并且其保護(hù)電路的技術(shù)參數(shù)應(yīng)與用電設(shè)備的工作特性相匹配，以避免損壞用電設(shè)備或開(kāi)關(guān)電源。

幾大指標(biāo)

編輯

功率 P=UI,是輸出電壓和輸出電流的乘積。

輸入電壓分交流輸入和直流輸入2種。

輸出電壓一般是直流輸出，但也有交流輸出的。

工作溫度

隔離電壓：隔離就是將輸出與輸入進(jìn)行電路上的分離。有以下幾個(gè)作用：

一，電流變換；

二，為了防止輸入輸出相互干擾；

三，輸入輸出電路的信號(hào)特性相差太大，比如用弱信號(hào)控制強(qiáng)電的設(shè)備

封裝尺寸有插針，貼片的，和螺旋。

輸出有單路輸出，雙路輸出及多路輸出。電源模塊是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應(yīng)器，其特點(diǎn)是可為集成電路（ASIC）、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、微處理器、存儲(chǔ)器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 及其他數(shù)字或模擬負(fù)載提供供電。一般來(lái)說(shuō)，這類模塊稱為負(fù)載點(diǎn)(POL) 電源供應(yīng)系統(tǒng)或使用點(diǎn)電源供應(yīng)系統(tǒng)(PUPS)。由于模塊式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)甚多， 因此模塊電源廣泛用于交換設(shè)備、接入設(shè)備、移動(dòng)通訊、 微波通訊以及光傳輸、路由器等通信領(lǐng)域和汽車電子、航空航天等。

分類

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按現(xiàn)代電力電子的應(yīng)用領(lǐng)域，我們把電源模塊劃分如下：

綠色電源模塊

高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)帶領(lǐng)人類進(jìn)入了信息社會(huì),同時(shí)也促進(jìn)了電源模塊技術(shù)的迅速發(fā)展。八十年代,計(jì)算機(jī)全面采用了開(kāi)關(guān)電源,*完成計(jì)算機(jī)電源換代。接著開(kāi)關(guān)電源技術(shù)相繼進(jìn)入了電子、電器設(shè)備領(lǐng)域。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源模塊。綠色電腦泛指對(duì)環(huán)境無(wú)害的個(gè)人電腦和相關(guān)產(chǎn)品，綠色電源系指與綠色電腦相關(guān)的高效省電電源,根據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署l992年6月17日“能源之星"計(jì)劃規(guī)定,桌上型個(gè)人電腦或相關(guān)的外圍設(shè)備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目 前效率為75%的200瓦開(kāi)關(guān)電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。

開(kāi)關(guān)電源模塊

通信業(yè)的迅速發(fā)展*的推動(dòng)了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開(kāi)關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領(lǐng)域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標(biāo)稱值為48V的直流電源。當(dāng)前在程控交換機(jī)用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開(kāi)關(guān)電源取代,高頻開(kāi)關(guān)電源(也稱為開(kāi)關(guān)型整流器SMR)通過(guò)MOSFET或IGBT的高頻工作,開(kāi)關(guān)頻率一般控制在50-100kHz范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)高效率和小型化。近幾年,開(kāi)關(guān)整流器的功率容量不斷擴(kuò)大,單機(jī)容量己從48V/12.5A、48V/20A擴(kuò)大到48V/200A、48V/400A。

因通信設(shè)備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護(hù),且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標(biāo)準(zhǔn)控制板上,對(duì)二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。

變換器

DC/DC變換器將一個(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無(wú)軌電車、地鐵列車、電動(dòng)車的無(wú)級(jí)變速和控制,同時(shí)使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能,并同時(shí)收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調(diào)壓的作用(開(kāi)關(guān)電源), 同時(shí)還能起到有效地抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。

通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術(shù),開(kāi)關(guān)頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實(shí)現(xiàn)小型化,因此就要不斷提高開(kāi)關(guān)頻率和采用新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),當(dāng)前已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開(kāi)關(guān)和零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。

UPS

不間斷電源(UPS)是計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場(chǎng)合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經(jīng)整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經(jīng)逆變器變成交流,經(jīng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)送到負(fù)載。為了在逆變器故障時(shí)仍能向負(fù)載提供能量,另一路備用電源通過(guò)電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)代UPS普遍了采用脈寬調(diào)制技術(shù)和功率M0SFET、IGBT等現(xiàn)代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術(shù)的引入,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)UPS的智能化管理,進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程診斷。

目前在線式UPS的zui大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經(jīng)有0.5kVA、lVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產(chǎn)品。

變頻器電源

變頻器電源主要用于交流電機(jī)的變頻調(diào)速,其在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中占據(jù)的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過(guò)整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器, 將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅(qū)動(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。

上400kVA以下的變頻器電源系列產(chǎn)品已經(jīng)問(wèn)世。八十年代初期,日本東芝公司zui先將交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)器中。至1997年,其占有率已達(dá)到日本家用空調(diào)的70%以上。變頻空調(diào)具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)于90年代初期開(kāi)始研究變頻空調(diào),96年引進(jìn)生產(chǎn)線生產(chǎn)變頻空調(diào)器,逐漸形成變頻空調(diào)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)熱點(diǎn)。預(yù)計(jì)到2000年左右將形成高潮。變頻空調(diào)除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調(diào)速的壓縮機(jī)電機(jī)。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調(diào)變頻電源研制的進(jìn)一步發(fā)展方向。

焊機(jī)電源模塊

高頻逆變式整流焊機(jī)電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機(jī)電源,代表了當(dāng)今焊機(jī)電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應(yīng)用前景。

逆變焊機(jī)電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經(jīng)全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經(jīng)高頻變壓器耦合, 整流濾波后成為穩(wěn)定的直流,供電弧使用。

由于焊機(jī)電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開(kāi)路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機(jī)電源的工作可靠性問(wèn)題成為zui關(guān)鍵的問(wèn)題,也是用戶zui關(guān)心的問(wèn)題。采用微處理器做為脈沖寬度調(diào)制(PWM)的相關(guān)控制器,通過(guò)對(duì)多參數(shù)、多信息的提取與分析,達(dá)到預(yù)知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進(jìn)而提前對(duì)系統(tǒng)做出調(diào)整和處理,解決了當(dāng)前大功率IGBT逆變電源可靠性。

國(guó)外逆變焊機(jī)已可做到額定焊接電流300A,負(fù)載持續(xù)率60%,全載電壓60~75V,電流調(diào)節(jié)范圍5~300A,重量29kg。

直流電源模塊

大功率開(kāi)關(guān)型高壓直流電源廣泛應(yīng)用于靜電除塵、水質(zhì)改良、科研X光機(jī)和CT機(jī)等大型設(shè)備。電壓高達(dá)50~l59kV,電流達(dá)到0.5A以上,功率可達(dá)100kW。

自從70年代開(kāi)始,日本的一些公司開(kāi)始采用逆變技術(shù),將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進(jìn)入80年代,高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)迅速發(fā)展。德國(guó)西門子公司采用功率晶體管做主開(kāi)關(guān)元件,將電源的開(kāi)關(guān)頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術(shù)成功的應(yīng)用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進(jìn)一步減小。

國(guó)內(nèi)對(duì)靜電除塵高壓直流電源進(jìn)行了研制,市電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開(kāi)關(guān)串聯(lián)諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,zui后整流為直流高壓。在電阻負(fù)載條件下,輸出直流電壓達(dá)到55kV,電流達(dá)到15mA,工作頻率為25.6kHz。

濾波器

傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運(yùn)時(shí),將向電網(wǎng)注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時(shí)還出現(xiàn)裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)惡化的現(xiàn)象,即所謂“電力公害”,例如,不可控整流加電容濾波時(shí),網(wǎng)側(cè)三次諧波含量可達(dá)(70~80)%,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅有0.5~0.6。

電力有源濾波器是一種能夠動(dòng)態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開(kāi)關(guān)功率變換器和具體控制電路構(gòu)成。與傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流; (2)電流環(huán)基準(zhǔn)信號(hào)為電壓環(huán)誤差信號(hào)與全波整流電壓取樣信號(hào)之乘積。

供電系統(tǒng)

分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)模控制集成電路作基本部件,利用理論和技術(shù)成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強(qiáng)電與弱電緊密結(jié)合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產(chǎn)效率。

八十年代初期,對(duì)分布式高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯(lián)技術(shù)的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術(shù)的迅述發(fā)展，各種變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn),結(jié)合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術(shù),使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動(dòng)了分布式高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)研究的展開(kāi)。自八十年代后期開(kāi)始,這一方向已成為電力電子學(xué)界的研究熱點(diǎn),論文數(shù)量逐年增加，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。

分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。已被大型計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的zui為理想的供電方式。在大功率場(chǎng)合,如電鍍、電解電源、電力機(jī)車牽引電源、中頻感應(yīng)加熱電源、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。

設(shè)計(jì)方法

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電源的電磁干擾水平是設(shè)計(jì)中zui難的部分，設(shè)計(jì)人員能做的zui多就是在設(shè)計(jì)中進(jìn)行充分考慮，尤其在布局時(shí)。由于直流到直流的轉(zhuǎn)換器很常用，所以硬件工程師或多或少都會(huì)接觸到相關(guān)的工作，本文中我們將考慮與低電磁干擾設(shè)計(jì)相關(guān)的兩種常見(jiàn)的折中方案[1]  。

電源設(shè)計(jì)中即使是普通的直流到直流開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)都會(huì)出現(xiàn)一系列問(wèn)題，尤其在高功率電源設(shè)計(jì)中更是如此。除功能性考慮以外，工程師必須保證設(shè)計(jì)的魯棒性，以符合成本目標(biāo)要求以及熱性能和空間限制，當(dāng)然同時(shí)還要保證設(shè)計(jì)的進(jìn)度。另外，出于產(chǎn)品規(guī)范和系統(tǒng)性能的考慮，電源產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)必須足夠低。不過(guò)，電源的電磁干擾水平卻是設(shè)計(jì)中zui難精確預(yù)計(jì)的項(xiàng)目。有些人甚至認(rèn)為這簡(jiǎn)直是不可能的，設(shè)計(jì)人員能做的zui多就是在設(shè)計(jì)中進(jìn)行充分考慮，尤其在布局時(shí)。

盡管本文所討論的原理適用于廣泛的電源設(shè)計(jì)，但我們?cè)诖酥魂P(guān)注直流到直流的轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗膽?yīng)用相當(dāng)廣泛，幾乎每一位硬件工程師都會(huì)接觸到與它相關(guān)的工作，說(shuō)不定什么時(shí)候就必須設(shè)計(jì)一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器。本文中我們將考慮與低電磁干擾設(shè)計(jì)相關(guān)的兩種常見(jiàn)的折中方案;熱性能、電磁干擾以及與PCB布局和電磁干擾相關(guān)的方案尺寸等。文中我們將使用一個(gè)簡(jiǎn)單的降壓轉(zhuǎn)換器做例子，如圖1所示。

普通的降壓轉(zhuǎn)換器

圖1.普通的降壓轉(zhuǎn)換器

在頻域內(nèi)測(cè)量輻射和傳導(dǎo)電磁干擾，這就是對(duì)已知波形做傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，本文中我們著重考慮輻射電磁干擾性能。在同步降壓轉(zhuǎn)換器中，引起電磁干擾的主要開(kāi)關(guān)波形是由Q1和Q2產(chǎn)生的，也就是每個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管在其各自導(dǎo)通周期內(nèi)從漏極到源極的電流di/dt。圖2所示的電流波形(Q和Q2on)不是很規(guī)則的梯形，但是我們的操作自由度也就更大，因?yàn)閷?dǎo)體電流的過(guò)渡相對(duì)較慢，所以可以應(yīng)用Henry Ott經(jīng)典著作《電子系統(tǒng)中的噪聲降低技術(shù)》中的公式1。我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一個(gè)類似的波形，其上升和下降時(shí)間會(huì)直接影響諧波振幅或傅里葉系數(shù)(In)。

Q1和Q2的波形

圖2.Q1和Q2的波形

In=2IdSin(nπd)/nπd ×Sin(nπtr/T)/nπtr/T (1)

其中，n是諧波級(jí)次，T是周期，I是波形的峰值電流強(qiáng)度，d是占空比，而tr是tr或tf的zui小值。

在實(shí)際應(yīng)用中，極有可能會(huì)同時(shí)遇到奇次和偶次諧波發(fā)射。如果只產(chǎn)生奇次諧波，那么波形的占空比必須精確為50%。而實(shí)際情況中極少有這樣的占空比精度。

諧波系列的電磁干擾幅度受Q1和Q2的通斷影響。在測(cè)量漏源電壓VDS的上升時(shí)間tr和下降時(shí)間tf，或流經(jīng)Q1和Q2的電流上升率di/dt 時(shí)，可以很明顯看到這一點(diǎn)。這也表示，我們可以很簡(jiǎn)單地通過(guò)減緩Q1或Q2的通斷速度來(lái)降低電磁干擾水平。事實(shí)正是如此，延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)時(shí)間的確對(duì)頻率高于 f=1/πtr的諧波有很大影響。不過(guò)，此時(shí)必須在增加散熱和降低損耗間進(jìn)行折中。盡管如此，對(duì)這些參數(shù)加以控制仍是一個(gè)好方法，它有助于在電磁干擾和熱性能間取得平衡。具體可以通過(guò)增加一個(gè)小阻值電阻(通常小于5Ω)實(shí)現(xiàn)，該電阻與Q1和Q2的柵極串聯(lián)即可控制tr和tf，你也可以給柵極電阻串聯(lián)一個(gè) “關(guān)斷二極管”來(lái)獨(dú)立控制過(guò)渡時(shí)間tr或tf(見(jiàn)圖3)。這其實(shí)是一個(gè)迭代過(guò)程，甚至連經(jīng)驗(yàn)zui豐富的電源設(shè)計(jì)人員都使用這種方法。我們的zui終目標(biāo)是通過(guò)放慢晶體管的通斷速度，使電磁干擾降低至可接受的水平，同時(shí)保證其溫度足夠低以確保穩(wěn)定性