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)功用不時趨于完善，監(jiān)測、控制、顯現(xiàn)明晰明了，并能夠和中央監(jiān)控系統(tǒng)通訊，完成遠間隔遙控、遙信、遙測和無人值守。
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，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，仍能輸出更大的電流。這種采用恒功率設(shè)計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不同的階段，即恒流和恒壓階段。在恒流階段，其輸出電流堅持不變，即對蓄電池停止恒流充電；在恒壓階段，其輸出電壓堅持不變，即對蓄電池停止恒壓充電。
在恒流階段，假如欲使負載電流超越限流值，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流關(guān)閉。其額定電流、限定電流及過流值都很接近，因而，采用限流型整流器設(shè)計的開關(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)備所需最大負載。
終究以多大的電流對已放電的蓄電池再充電，通常要從通訊設(shè)備所需的最大負載、停電后蓄電池放電的安時數(shù)和恢復(fù)蓄電池容量所需的充電時間等三個方面來思索。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)計不是最優(yōu)設(shè)計。
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，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)計的開關(guān)電源系統(tǒng)，普通只需思索電信設(shè)備最大負載和一個整流器的冗余，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闡明，即在高頻變壓器初級電路中串入了一個諧振電感并加上兩個小電流箝位二極管。但是，兩者在開關(guān)管驅(qū)動方式上區(qū)別很大。普通PWM電路的驅(qū)動方式是使位于逆變橋?qū)堑?只開關(guān)管同時導(dǎo)通或同時關(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，這些能量將經(jīng)過開關(guān)管放掉，額外增加了開關(guān)損耗。由于這時電流變化率很大，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或回饋到了電源，不會形成損失。
在硬開關(guān)方式中，一個幾百瓦的開關(guān)管在開關(guān)霎時要接受幾千瓦的功率峰值，其電應(yīng)力常常會在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，效率自然進步，同樣使開關(guān)管的牢靠性顯著進步。另外，采用軟開關(guān)技術(shù)可使EMC費用降低，散熱器費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。意科公司消費的48V/40A、48V/50A整流器測試數(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)電源的運用，嚴(yán)重污染了電網(wǎng)，干擾了其它設(shè)備，增大了前級設(shè)備（如變壓器、電纜傳輸、柴油發(fā)電機等）的功率定額，使供電系統(tǒng)容量至少要增大30%以上，運用戶增加了投資。關(guān)于三相四線輸入，當(dāng)三相負載不均衡時，零線電流會很大。從實踐運轉(zhuǎn)結(jié)果來看，低功率因數(shù)的開關(guān)電源所帶來的危害是很嚴(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)計中，認真設(shè)計好功率因數(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，可參加一個升壓緩沖器，這種電路通常有兩種方式，一種是參加一個零壓主開關(guān)和一個零流輔助開關(guān)，但零流輔助開關(guān)的驅(qū)動和控制電路較復(fù)雜，造價較高；另一種緩沖器，只采用一個零流主開關(guān)，而不用輔助開關(guān)，因而，這種電路造價低，設(shè)計便當(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)采樣電阻的實踐電流與全波整流100Hz正弦輸入電壓比擬，并經(jīng)過反應(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，經(jīng)過芯片內(nèi)部的乘法器也在同時調(diào)整輸出電壓，使輸出電壓穩(wěn)定在400V左右。為后一級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。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)，效率也有進步。
5 用一個主頻同步控制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)實踐上是一個高頻脈寬調(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，升壓電感器貯存的能量將經(jīng)過升壓二極管對其充電。而接在電解電容器下一級的DC/DC全橋變換器所需的電流是經(jīng)過軟開關(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程中，電解電容器電壓不會處在一個穩(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，脈動電壓峰-峰值很大，常會形成電解電容損壞，這是一個不容無視的問題。
在功率因數(shù)校正器和DC/DC變換器中，采用一個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)同時工作。當(dāng)使經(jīng)過升壓二極管的充電電流和經(jīng)過DC/DC變換器的電流盡可能堆疊時，即電解電容器同時充放電時，電解電容器上的脈動電壓峰-峰值將減小。
理論證明：當(dāng)整流器電解電容器上的脈動電壓減小40%以上時，將使電解電容器的壽命延長，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)頻率也受同一個主頻同步控制，則整個整流模塊只要一個開關(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變換器是一個全橋功率變換器，在高頻變壓器次級也常運用全波整流技術(shù)。因而， 在普通整流器中，高頻變壓器次級繞組必需有一個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繞組分紅兩個電感器。
倍流整流器是由一個沒有中心抽頭的高頻變壓器次級繞組，兩個電感量相等而且同繞在一個磁芯上的電感器以及由兩個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繞組沒有中心抽頭，而且流過變壓器線圈和濾波電感器電流只是輸出負載電流一半。因而，大大簡化了高頻變壓器和濾波電感器構(gòu)造設(shè)計。但電路中需多加一個濾波電感器，兩個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，由于流過兩個濾波電感器的電流，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濾波電感器電流的總和，而兩個濾波電感器的脈動電流是相消的。因而直流輸出脈動電流也較低。
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。這也對開關(guān)電源提出新的應(yīng)戰(zhàn)。為此應(yīng)把先進性與牢靠性有機地溶為一體；把應(yīng)用最新器件及具有國際程度的系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計、工藝設(shè)計溶為一體；把不時改良工藝設(shè)計，不時更新設(shè)備（其中包括高密度的外表貼裝設(shè)備與自動半自動插件機）溶為一體。完成把整流模塊的控制、監(jiān)測、維護等弱電局部和一個系統(tǒng)功用強大、全智能化監(jiān)測、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：一個共形式四階低通濾波器，對無線播送干擾有很好的抑止，對模塊開關(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)裝有過流維護空氣開關(guān)，具有過流切斷維護才能；在輸入端串入由兩個大瓦數(shù)小阻值電阻器組成的軟啟動電路，以防在開、關(guān)機霎時，浪涌電流對設(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個壓敏電阻，對1.2μs/50μs浪涌電壓加以抑止，當(dāng)輸入交流呈現(xiàn)特高壓時，壓敏電阻能對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。由于精心設(shè)計的EMC技術(shù)使電源系統(tǒng)具有極小的電磁輻射，故可與程控交流機和其它通訊設(shè)備配置在同一機房。
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