智能高頻開關(guān)電源系統(tǒng)
智能高頻開關(guān)電源系統(tǒng)，以開關(guān)整流器為根底，分離交直流配電、智能化控制器并配有集中監(jiān)控模塊的應(yīng)用，使電源系統(tǒng)功用不時(shí)趨于完善，監(jiān)測(cè)、控制、顯現(xiàn)明晰明了，并能夠和中央監(jiān)控系統(tǒng)通訊，完成遠(yuǎn)間隔遙控、遙信、遙測(cè)和無(wú)人值守。
開關(guān)整流器是電源系統(tǒng)中最重要的局部，它的技術(shù)能否先進(jìn)，關(guān)系著開關(guān)電源系統(tǒng)的功用和牢靠性。因而，一些自主開發(fā)的廠商很注重開關(guān)整流器技術(shù)性能的改良，其目的是使開關(guān)整流器的牢靠性和效率得到很大進(jìn)步，使其本錢和高頻電磁干擾降低。
2 恒功率整流器技術(shù)
恒功率整流器，其突出特性是在規(guī)則的交流輸入電壓和直流輸出電壓范圍內(nèi)，均能給出額定功率。即在蓄電池低電壓時(shí)，仍能輸出更大的電流。這種采用恒功率設(shè)計(jì)的新型智能高頻開關(guān)電源系統(tǒng)，是通訊電源構(gòu)思上的一個(gè)飛躍，也是現(xiàn)代通訊電源設(shè)備的最優(yōu)選擇。
在普通限流型整流器中，依據(jù)蓄電池的貯能狀況，其輸出特性可分為兩個(gè)不同的階段，即恒流和恒壓階段。在恒流階段，其輸出電流堅(jiān)持不變，即對(duì)蓄電池停止恒流充電；在恒壓階段，其輸出電壓堅(jiān)持不變，即對(duì)蓄電池停止恒壓充電。
在恒流階段，假如欲使負(fù)載電流超越限流值，則整流器輸出電壓將隨電流增加而快速降落直到整流器過(guò)流關(guān)閉。其額定電流、限定電流及過(guò)流值都很接近，因而，采用限流型整流器設(shè)計(jì)的開關(guān)電源系統(tǒng)，給已放電的蓄電池在某一特定的充電時(shí)間內(nèi)停止充電，所能提供的最大輸出電流就不可能是通訊設(shè)備所需最大負(fù)載。
終究以多大的電流對(duì)已放電的蓄電池再充電，通常要從通訊設(shè)備所需的最大負(fù)載、停電后蓄電池放電的安時(shí)數(shù)和恢復(fù)蓄電池容量所需的充電時(shí)間等三個(gè)方面來(lái)思索。普通要留出33%~45%額定電流給停電后已放電的蓄電池再充電。這也就相當(dāng)電源系統(tǒng)中33%以上整流模塊長(zhǎng)期處在備用狀態(tài)而未被充沛應(yīng)用。顯然，這種電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)不是最優(yōu)設(shè)計(jì)。
恒功率整流器與限流型整流器不同之處，是在恒壓和恒流階段中插入一個(gè)恒功率階段，這就是所謂恒功率整流器。該整流器工作在三個(gè)不同輸出階段，即恒壓、恒功率和恒流階段，恒壓和恒流階段的工作狀況，與限流型整流器完整相同，契合國(guó)度有關(guān)規(guī)范規(guī)則。所不同的是在恒功率階段，整流器輸出功率堅(jiān)持不變，但其輸出電壓可從60V隨著電流增加而線性地減小至43V，此時(shí)，系統(tǒng)仍處在正常工作狀態(tài)。整流用具有這一特性，就能為已放電的蓄電池提供更大的充電和更快速充電。因而，采用恒功率整流器設(shè)計(jì)的開關(guān)電源系統(tǒng)，普通只需思索電信設(shè)備最大負(fù)載和一個(gè)整流器的冗余，就能夠肯定電源系統(tǒng)的額定輸出功率。這與采用限流型開關(guān)電源系統(tǒng)相比擬，所需的整流功率和所需的整流模塊數(shù)量至少能夠減少33%以上，這也就為用戶極大地節(jié)約了投資。
3 相移諧振脈寬調(diào)制技術(shù)
相移諧振脈寬調(diào)制與普通PWM電路的區(qū)別，可用全橋式變換器來(lái)闡明，即在高頻變壓器初級(jí)電路中串入了一個(gè)諧振電感并加上兩個(gè)小電流箝位二極管。但是，兩者在開關(guān)管驅(qū)動(dòng)方式上區(qū)別很大。普通PWM電路的驅(qū)動(dòng)方式是使位于逆變橋?qū)堑?只開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通或同時(shí)關(guān)斷。在開關(guān)管截止后，每盡管的結(jié)電容上都貯存了一定的能量。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，這些能量將經(jīng)過(guò)開關(guān)管放掉，額外增加了開關(guān)損耗。由于這時(shí)電流變化率很大，產(chǎn)生的電磁干擾以及開關(guān)管在開關(guān)霎時(shí)接受的功耗峰值也很大。
在相移諧振脈寬調(diào)制電路中，為了完成零電壓導(dǎo)通，使逆變橋中位于同一側(cè)上、下兩個(gè)開關(guān)管交替截止與導(dǎo)通轉(zhuǎn)換間設(shè)置一死區(qū)，死區(qū)時(shí)間應(yīng)等于或略大于二分之一諧振周期。即當(dāng)上端的開關(guān)管關(guān)斷后，諧振電感和結(jié)電容產(chǎn)生振蕩直至下端開關(guān)管電壓為零后，才驅(qū)動(dòng)下端開關(guān)管導(dǎo)通，即零電壓導(dǎo)通。結(jié)電容中貯存的能量輸出到高頻變壓器次級(jí)或回饋到了電源，不會(huì)形成損失。
在硬開關(guān)方式中，一個(gè)幾百瓦的開關(guān)管在開關(guān)霎時(shí)要接受幾千瓦的功率峰值，其電應(yīng)力常常會(huì)在20多秒內(nèi)把開關(guān)管損壞。而軟開關(guān)技術(shù)降低了開關(guān)管在導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)所接受的應(yīng)力，減少了開關(guān)損耗，使開關(guān)管發(fā)熱量減少，溫升降低，效率自然進(jìn)步，同樣使開關(guān)管的牢靠性顯著進(jìn)步。另外，采用軟開關(guān)技術(shù)可使EMC費(fèi)用降低，散熱器費(fèi)用減少并可使選用的開關(guān)參數(shù)余量減少，允許開關(guān)管工作在更高的溫度上，從而使產(chǎn)品的本錢降低了。意科公司消費(fèi)的48V/40A、48V/50A整流器測(cè)試數(shù)據(jù)標(biāo)明，軟開關(guān)技術(shù)可使開關(guān)損耗降到可疏忽水平，功率變換局部的效率可到達(dá)94%。
4 有源功率因數(shù)校正技術(shù)
普通開關(guān)整流器大多數(shù)采用電容器濾波。這種濾波電路，只要輸入電壓超越濾波電容貯存電壓時(shí)才導(dǎo)通。因而，輸入電流成脈沖波形，且諧波電流很大，形成功率因數(shù)降落。低功率因數(shù)開關(guān)電源的運(yùn)用，嚴(yán)重污染了電網(wǎng)，干擾了其它設(shè)備，增大了前級(jí)設(shè)備（如變壓器、電纜傳輸、柴油發(fā)電機(jī)等）的功率定額，使供電系統(tǒng)容量至少要增大30%以上，運(yùn)用戶增加了投資。關(guān)于三相四線輸入，當(dāng)三相負(fù)載不均衡時(shí)，零線電流會(huì)很大。從實(shí)踐運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)果來(lái)看，低功率因數(shù)的開關(guān)電源所帶來(lái)的危害是很嚴(yán)重的，這是由于輸入電流有很高的峰值，含有大量的高次諧波，不但產(chǎn)生嚴(yán)重電磁干擾，還使供電變壓器產(chǎn)生大的電磁應(yīng)力，噪音增大，鐵損嚴(yán)重，溫升劇增。因而，在整流器設(shè)計(jì)中，認(rèn)真設(shè)計(jì)好功率因數(shù)校正電路是至關(guān)重要的。
有源功率因數(shù)校正電路，通常運(yùn)用Unitrode公司的UC3854控制芯片。采用固定高頻諧振軟開關(guān)脈寬調(diào)制升壓式變換電路，均勻電流型控制辦法。為使有源功率因數(shù)電路做得更好，可參加一個(gè)升壓緩沖器，這種電路通常有兩種方式，一種是參加一個(gè)零壓主開關(guān)和一個(gè)零流輔助開關(guān)，但零流輔助開關(guān)的驅(qū)動(dòng)和控制電路較復(fù)雜，造價(jià)較高；另一種緩沖器，只采用一個(gè)零流主開關(guān)，而不用輔助開關(guān)，因而，這種電路造價(jià)低，設(shè)計(jì)便當(dāng)，也由于沒有零壓開關(guān)，這就阻止了開關(guān)頻率的增加。由于采用了升壓緩沖器，從而極大地降低了高壓二極管和大功率VMOS管的開關(guān)損耗，并大大降低了電磁干擾。該電路的輸入端串入阻值很小（約50mΩ）的采樣電阻，流經(jīng)采樣電阻的實(shí)踐電流與全波整流100Hz正弦輸入電壓比擬，并經(jīng)過(guò)反應(yīng)，使輸入電流波形跟蹤電壓波形，這樣整流器根本上工作在純電阻狀態(tài)。
采用UC3854芯片的功率因數(shù)校正電路屬于電流電壓復(fù)合控制系統(tǒng)。它在調(diào)整輸入電流跟蹤輸入電壓的同時(shí)，經(jīng)過(guò)芯片內(nèi)部的乘法器也在同時(shí)調(diào)整輸出電壓，使輸出電壓穩(wěn)定在400V左右。為后一級(jí)全橋變換器提供不受輸入交流電壓影響的穩(wěn)定直流電壓。這就便當(dāng)了全橋變換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于電壓穩(wěn)定，全橋DC/DC變換器能夠采用最佳變比，高頻變壓器、濾波電感、開關(guān)管及二極管都可工作在最佳狀態(tài)，效率也有進(jìn)步。
5 用一個(gè)主頻同步控制PFC、DC/DC變換器和輔助開關(guān)電源
有源功率因數(shù)校正器(APFC)實(shí)踐上是一個(gè)高頻脈寬調(diào)制升壓變換預(yù)調(diào)器。它的輸出電壓通常比交流輸入峰值電壓高。接在功率因數(shù)校正器輸出端作為能量貯存用的電解電容器，在開關(guān)管截止時(shí)，升壓電感器貯存的能量將經(jīng)過(guò)升壓二極管對(duì)其充電。而接在電解電容器下一級(jí)的DC/DC全橋變換器所需的電流是經(jīng)過(guò)軟開關(guān)脈沖控制從電解電容器放電中得到。
在普通開關(guān)電源中，由于DC/DC變換器開關(guān)頻率和功率因數(shù)校正器開關(guān)頻率不一樣。因而，在電解電容器充放電過(guò)程中，電解電容器電壓不會(huì)處在一個(gè)穩(wěn)定電壓上。通常是在400 V根底上，加上電解電容器充放電的脈沖電壓，脈動(dòng)電壓峰-峰值很大，常會(huì)形成電解電容損壞，這是一個(gè)不容無(wú)視的問(wèn)題。
在功率因數(shù)校正器和DC/DC變換器中，采用一個(gè)主頻同步控制功率因數(shù)校正器的開關(guān)管和DC/DC變換器中的軟開關(guān)同時(shí)工作。當(dāng)使經(jīng)過(guò)升壓二極管的充電電流和經(jīng)過(guò)DC/DC變換器的電流盡可能堆疊時(shí)，即電解電容器同時(shí)充放電時(shí)，電解電容器上的脈動(dòng)電壓峰-峰值將減小。
理論證明：當(dāng)整流器電解電容器上的脈動(dòng)電壓減小40%以上時(shí)，將使電解電容器的壽命延長(zhǎng)，牢靠性增加，在返修的整流模塊中很少見到電解電容器損壞的。這一辦法可使電解電容器穩(wěn)定牢靠地工作。
假如輔助開關(guān)電源的開關(guān)頻率也受同一個(gè)主頻同步控制，則整個(gè)整流模塊只要一個(gè)開關(guān)頻率基涉及其高次諧波，這就便于模塊平滑濾波，也可免去多個(gè)開關(guān)頻率的互相干擾。
6 倍流整流器技術(shù)
通常DC/DC變換器是一個(gè)全橋功率變換器，在高頻變壓器次級(jí)也常運(yùn)用全波整流技術(shù)。因而， 在普通整流器中，高頻變壓器次級(jí)繞組必需有一個(gè)中心抽頭并與電路參考電壓（地）相連，中心抽頭把高頻變壓器次級(jí)繞組分紅兩個(gè)電感器。
倍流整流器是由一個(gè)沒有中心抽頭的高頻變壓器次級(jí)繞組，兩個(gè)電感量相等而且同繞在一個(gè)磁芯上的電感器以及由兩個(gè)整流二極管和輸出電容器組成。
倍流整流器最突出特性是高頻變壓器次級(jí)繞組沒有中心抽頭，而且流過(guò)變壓器線圈和濾波電感器電流只是輸出負(fù)載電流一半。因而，大大簡(jiǎn)化了高頻變壓器和濾波電感器構(gòu)造設(shè)計(jì)。但電路中需多加一個(gè)濾波電感器，兩個(gè)濾波電感器的電感總值，可等于或略小于普通全波整流器扼流圈的電感值，由于流過(guò)兩個(gè)濾波電感器的電流，其工作頻率和電流變化速度均較低。由于倍流整流器輸出電流是兩個(gè)濾波電感器電流的總和，而兩個(gè)濾波電感器的脈動(dòng)電流是相消的。因而直流輸出脈動(dòng)電流也較低。
7四層印刷板外表貼裝技術(shù)
現(xiàn)代通訊設(shè)備朝著更輕更小的方向開展，高密度半導(dǎo)體集成電路的呈現(xiàn)為之發(fā)明了有力條件。這也對(duì)開關(guān)電源提出新的應(yīng)戰(zhàn)。為此應(yīng)把先進(jìn)性與牢靠性有機(jī)地溶為一體；把應(yīng)用最新器件及具有國(guó)際程度的系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)溶為一體；把不時(shí)改良工藝設(shè)計(jì)，不時(shí)更新設(shè)備（其中包括高密度的外表貼裝設(shè)備與自動(dòng)半自動(dòng)插件機(jī)）溶為一體。完成把整流模塊的控制、監(jiān)測(cè)、維護(hù)等弱電局部和一個(gè)系統(tǒng)功用強(qiáng)大、全智能化監(jiān)測(cè)、控制、管理及顯現(xiàn)完善的監(jiān)控模塊所需求的各種集成電路、半導(dǎo)體二極管和三極管，電阻，電容，電感等元器件，全部高密度貼裝在一塊四層印刷板上，從而使產(chǎn)品進(jìn)步功率密度，減小重量和體積，降低功耗，增加牢靠性。
8精心設(shè)計(jì)的EMC技術(shù)
整流模塊應(yīng)具有輸入輸出防電磁干擾電路和屏蔽構(gòu)造，它包括：一個(gè)共形式四階低通濾波器，對(duì)無(wú)線播送干擾有很好的抑止，對(duì)模塊開關(guān)脈沖頻率基涉及高次諧波加以濾波，以防互相干擾；輸入輸出應(yīng)裝有過(guò)流維護(hù)空氣開關(guān)，具有過(guò)流切斷維護(hù)才能；在輸入端串入由兩個(gè)大瓦數(shù)小阻值電阻器組成的軟啟動(dòng)電路，以防在開、關(guān)機(jī)霎時(shí)，浪涌電流對(duì)設(shè)備元器件形成損壞，正常工作后用繼電器短接。整流模塊輸入端還裝有3個(gè)壓敏電阻，對(duì)1.2μs/50μs浪涌電壓加以抑止，當(dāng)輸入交流呈現(xiàn)特高壓時(shí)，壓敏電阻能對(duì)浪涌電壓箝位并能吸收浪涌電流，使整流器內(nèi)部得到維護(hù)。由于精心設(shè)計(jì)的EMC技術(shù)使電源系統(tǒng)具有極小的電磁輻射，故可與程控交流機(jī)和其它通訊設(shè)備配置在同一機(jī)房。
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