用於健康電池的醫療電源轉換器

幾十年來，可充電電池一直被用來儲存電能。根據加斯頓·普蘭特 （Gaston Planté） 於 1859 年發明的維基百科，許多應用都配備了鉛酸電池。它們很重，但使用簡單。免維護的 AGM 或 EFP 電池不僅使使用更輕鬆、更安全，而且提高了電流和存儲性能以及使用壽命。
充電相對簡單，現代設備在開始充電過程之前使用微處理器檢查電池的類型和狀態。通過使用多相溫控充電演算法，可以最大限度地延長電池的使用壽命（圖 1）。

圖 1：多相充電演算法可避免電池過載或過熱。充電器可以隨時連接到電池

乾電池用於許多行動和掌上型裝置，但工具等應用需要更多的能量和更輕的解決方案。鎳鎘電池具有更高的功率密度和電流能力，並且已經以現有的乾電池形式提供。但充電電流被限制在 C/5 或 C/10 左右（C = 標稱容量，單位為 Ah），需要 10 小時或更長時間。從理論上講，它們提供了更多的充電週期，但記憶效應往往會縮短使用壽命。自放電率為每月10-20%。

鎘是有毒的，多年前在許多國家被禁止，並被鎳氫電池取代。它們堅固耐用，更能抵抗過度充電或深度放電。記憶效應和自放電明顯較低，但對於行動裝置來說仍然不理想。幾個小時內的快速充電需要更複雜的充電器。

鋰離子電池提供更高的能量密度，每月自放電率僅為1-2%，並且沒有記憶效應。它們還可以承受更寬的環境溫度範圍，是手機和筆記型電腦的理想解決方案。如今，它們已成為許多應用的首選。

可以以 0.5C 到 1C 的速率進行快速充電，但相位不同（圖 2）。

圖 2：鋰離子電池的典型充電階段

鋰會著火，開採起來有問題。研究了基於其他危險性較小且易於開採的材料的電池拓撲結構，並提供不同的能量密度、更快的充電速度或更低的成本。它們都有一個共同點，即管理充電過程和監控每個電池的狀態對於安全和長壽命至關重要。

幾十年來，測量電池的充電狀態（SoC）一直是一項重大挑戰。對於鉛酸電池，使用電壓與充電曲線在某種程度上是準確的，但對於其他電池材料，放電曲線相當平坦（圖3）。數值還取決於技術、充電迴圈次數和電池使用年限。

圖 3：不同電池拓撲的典型電壓與放電曲線

使用類比電路測量充電和放電階段的電流很複雜，但使用微控制器和電流感測器則很容易。通過這種稱為庫侖計數的過程，可以計算SoC，並且方程可以包括電池損耗、老化、自放電和溫度。

電池管理系統（BMS）監控電池狀態，避免在安全操作區域之外進行任何操作。它們控制充電過程，平衡每個電池中存儲的能量，監控充電狀態和溫度等關鍵數據，並報告任何異常情況。圖 4 顯示了 BMS 系統的簡化框圖：

圖 4：陣列中的每個電池或電池塊都受到監控和控制，並將數據發送到中央電池管理系統

在低功耗應用中監測幾個電池很容易，但在具有數百kWh或數MWh的大型陣列以及大量串聯和並聯的電池中，這是一個真正的挑戰。這些裝置（圖 5）用於儲存可再生能源園區的盈餘，平衡交流電網，或充當關鍵裝置的 UPS（不間斷電源）。

圖5：帶電池管理系統的大型儲能系統

如圖4所示，必須對每個電池進行監控，並且電路需要由12V或24V總線產生的單獨隔離電源電壓。聽起來像是一個簡單的設計挑戰，可以通過低功耗、標準轉換器模組來解決。

但對於數百個串聯電池的大功率應用，整個電池組的電壓可以達到 600 - 800 伏，需要加強隔離。大多數 24Vin DC/DC電源轉換器專為需要 500V 或 1600V 隔離電壓的典型工業應用而設計。

為避免隔離材料的退化和失效，允許連續施加的工作電壓遠低於隔離電壓，並由安全標準定義（圖 6）。這些值還取決於應用類型和環境條件。

圖 6：工業應用的典型隔離電壓

600 - 800Vdc 的電池組需要在DC/DC電源轉換器內設置3000Vac（或4243Vdc）的增強隔離柵，這對於許多只有1600V隔離的標準轉換器來說太高了。但是，具有 3kVac 隔離的轉換器真的滿足要求嗎？

這些大型電池系統連接到交流電網，靠近風力渦輪機、太陽能公園或變電站。它們暴露在高瞬態下，應符合 OVC III（過電壓類別 III）的要求，要求 400Vac 三相電源具有 4kV 隔離電壓。

雖然這些OVC類別是針對交流應用而設計的，但有助於找到直流電池的解決方案。遺憾的是，在製造商網站上搜索具有 4kVac 隔離的工業DC/DC電源轉換器時，通常沒有匹配項
但是，在有些市場中，最高的隔離屏障至關重要。連接到醫療設備的患者必須受到保護，免受任何電擊，因此該市場對隔離和洩漏電流的要求非常嚴格。

醫療標準定義了不同的患者保護手段（MOP）和操作員（MOOP）。連接到患者和侵入性系統的設備必須滿足2 MOPP（兩種患者保護手段），隔離電壓為4kVac。為本標準指定的轉換器可用於上述BMS系統。

P-DUKE 擁有各種DC/DC電源轉換器，可滿足這些2MOPP要求，並提供更高的 5kVac 隔離電壓。功率等級從1W到60W的全套產品系列提供單路和雙路輸出。憑藉5V至75V的各種輸入電壓範圍，它們可以部署在所有不同的應用中。使用P-DUKE網站上的產品搜索功能可以很容易地找到合適的解決方案。

圖 7：P-DUKE 擁有一套非常全面的醫療級DC/DC電源轉換器，具有單路和雙路輸出，功率水準從1W到60W不等

例如，MPD30-24S12W是一款具有9 -36輸入和12V輸出的30W轉換器，可以從12V或24V總線為連接到電池或電池陣列的BMS電路創建單獨的隔離電源電壓。

醫療標準還要求洩漏電流在微安範圍內，爬電距離為8mm。這是轉換器內部輸入和輸出之間沿隔離材料的最短距離。與電容器類似，轉換器內部隔離的材料（ε0）和厚度（d）定義了輸入到輸出的電容：

材料越厚，距離越寬，輸入和輸出之間的電容就越低。雖然在系統中使用一個或兩個轉換器並不重要，但在大型 BMS 系統中組合數百個不同電壓等級的轉換器時，它成為一個重要因素。交流電壓、瞬態和雜訊可以跨越這些隔離柵進行耦合。它不僅會干擾高度敏感的測量或通信設備，還會導致高壓交流電源產生高而危險的洩漏電流。

讓我們比較一個實際的例子。P-DUKE 的醫療電源轉換器 MPD30 的隔離電容僅為 20pF。即使對於1MHz的感測器信號，這也意味著8kΩ的高阻抗。標準工業轉換器的隔離電容可以超過1500pf。這高出 75 倍，1Mhz 信號的阻抗降至僅 107Ω。當許多轉換器並聯時，總電容和阻抗可以達到雜訊耦合的臨界值，也可以達到這些柵極跨越的交流漏電流的臨界值。

在一個應用中有 100 個醫療級轉換器，總電容僅為 2nF，根據公式 I = U*2*π*f*C，400V/50Hz 應用中的洩漏電流僅為0.25μA。

使用工業級轉換器時，總電容為150nF，漏電流將增加到19mA左右。雖然還不是致命的，但它會引起嚴重的電擊。與系統中其他設備的漏電流一起，可以跳閘 35mA RCD 斷路器（剩餘電流斷路器）。

與醫療應用一樣，可靠性是電池存儲系統的另一個重要因素。P-DUKE 的 MPD30 電源轉換器系列專為實現最高可靠性而設計，MTBF 值大於 100 萬小時（滿載時為 MIL-HDBK-217F）。P-DUKE 還為這些醫療設備提供 5 年產品保修，比許多其他轉換器製造商的 2 年保修要長得多。

你有沒有想過我們為什麼說：健康電池的醫療轉換器？需要高度複雜的BMS系統來保證如此大型電池組的安全和持久運行。這些應用具有挑戰性，但憑藉 P-DUKE 的醫療轉換器和強大的技術支援，可以解決這些應用，以確保健康的運行和長的使用壽命。