【文章內(nèi)容簡介】 圖 開關(guān)電源整機框圖主要研究內(nèi)容為：①確定 48V/100A 新型高頻開關(guān)電源的整體方案和各部分的電路方案。整機由4個48V/25A 高頻開關(guān)整流模塊、交流配電模塊、直流配電模塊、監(jiān)控模塊組成，置于同一機柜內(nèi)。具有多路直流穩(wěn)壓輸出，可分別給程控交換機、光端機等通信設(shè)備供電。由于該電源全自動化工作，又具有集中監(jiān)控功能，可實現(xiàn)機房的無人值守。② 研制48V/25A 相移脈寬調(diào)制零電壓（零電流）（PS PWM ZVS）諧振全橋變換器電路和以集成相移脈寬調(diào)制控制器為核心的控制電路。經(jīng)反復實驗優(yōu)化主要電路參數(shù)，使高頻開關(guān)整流模塊穩(wěn)定可靠工作，轉(zhuǎn)換效率達93%，穩(wěn)壓精度達177。%。 ③ 設(shè)計以MCS51單片機電路為核心的監(jiān)控模塊，實現(xiàn)對交、直流屏，多個高頻開關(guān)整流模塊的監(jiān)控，并可通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)縣郵電局對各個縣鎮(zhèn)郵局電源的集中監(jiān)控，實現(xiàn)遙信、遙測、遙控三遙功能。2 電路原理方案分析和選擇程控交換機等通信設(shè)備一旦安裝開通，就長期連續(xù)工作，不能間斷，因此要求通信電源①應具有高效率、高可靠性，并能長期連續(xù)穩(wěn)定工作。②應實現(xiàn)全自動化，無需工作人員直接操作。③應具有監(jiān)控和三遙（遙測、遙信、遙控）功能，可實現(xiàn)計算機管理，以適應現(xiàn)代通信發(fā)展的需要。為了減小整機體積和重量，并增加備份，方便擴容，電表單元、交流配電模塊、高頻開關(guān)整流模塊、直流配電模塊、監(jiān)控模塊等部分置于同一機框內(nèi)。根據(jù)電源容量需要，裝入適當塊數(shù)的高頻開關(guān)整流模塊，隨著交換機容量的擴大，還可陸續(xù)增加整流模塊，以滿足通信設(shè)備的需要。 高頻開關(guān)整流模塊由于該電源的高頻開關(guān)整流模塊的輸出既對通信設(shè)備供電也同時給額定電壓為48V的蓄電池組充電，（在對蓄電池均充時），額定輸出電流為 25A，其輸出的最大功率為，屬于中等功率，鑒于此，可采用單相交流電對其供電。 變換器電路開關(guān)電源采用常規(guī)的PWM 方式工作[9]，在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間，功率器件上會同時承受高電壓和大電流，造成轉(zhuǎn)換時功率損耗較大，有時功率器件發(fā)熱嚴重，影響可靠性，而且隨著工作頻率的提高，這種現(xiàn)象更為嚴重。為了減少開關(guān)損耗，提高工作頻率并增加可靠性，人們在PWM 硬開關(guān)的基礎(chǔ)上提出幾種軟開關(guān)電路拓撲，主要有準諧振開關(guān)變換器（QRC），多諧振開關(guān)變換器（MRC）以及相移脈寬調(diào)制零電壓（零電流）諧振變換器。準諧振變換器和多諧振變換器優(yōu)點是工作在諧振狀態(tài)，實現(xiàn)了軟開關(guān)，大大降低了開關(guān)損耗，而且可以吸收電路的寄生參數(shù)（不在乎電路的寄生參數(shù)存在），幾乎不產(chǎn)生電磁干擾。缺點是輸出同樣功率時，與PWM方式相比，其正弦波電流峰值較大，對開關(guān)器件要求較高，此外其正弦波較高的峰值電流引起的正向?qū)〒p耗增大，在一定程度上又抵消了一些降低開關(guān)損耗的好處，而且工作頻率隨輸入電壓和負載變化有一定的變化范圍，不便設(shè)計輸出濾波電路的參數(shù)。相移脈寬調(diào)制零電壓開關(guān)(諧振)變換器仍采用PWM工作方式，只在開關(guān)轉(zhuǎn)換時采用諧振方式，這樣既克服了PWM方式硬開關(guān)造成的較大開關(guān)損耗問題，又實現(xiàn)了恒頻工作，避免了準諧振和多諧振開關(guān)變換器工作頻率變化及正弦波電流峰值大的缺點。 相移脈寬調(diào)制零電壓開關(guān)（諧振）變換器原理框圖相移脈寬調(diào)制零電壓開關(guān)(諧振)變換器必須用全橋電路實現(xiàn)，其原理電路如圖 所示[10]。從電路形式上看，它與常規(guī)的PWM全橋變換器電路完全相同。PWM變換器采用兩個對角開關(guān)器件同時驅(qū)動導通，將輸入電壓交錯加到高頻變壓器的初級，并用改變占空比即導通時間的方法實現(xiàn)調(diào)整。而在相移PWM電路中，四個開關(guān)管連續(xù)工作在約50%（略小于50%）的固定占空比上，然后控制左右兩個半橋支路之間的相位關(guān)系，通過改變輸出脈沖的寬度進行調(diào)整，當對角開關(guān)管同時導通時才輸出功率。當接于電源正端的上部開關(guān)管（VV3）或接于負端的下部開關(guān)管（VV4）同時導通時，變壓器初級實質(zhì)上被短路，并被鉗位于相應的輸入電源母線端。由變壓器漏感維持電流，創(chuàng)造了實現(xiàn)諧振轉(zhuǎn)換的條件。因此，相移脈寬調(diào)制全橋電路同時具有脈寬調(diào)制電路和諧振電路的優(yōu)點，選用此種電路，不但電路簡單，而且容易獲得較高的技術(shù)性能，也可顯著提高開關(guān)變換器的可靠性。 功率器件和高頻變壓器 功率器件主要有雙極型晶體管（GTR），功率場效應管（MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等[11,12]。作為開關(guān)功率器件，雙極型晶體管因出現(xiàn)的早，過去用的較多，價格較低，飽和壓降較小，但這種管子的輸入是電流驅(qū)動，基極驅(qū)動功率較大，驅(qū)動電路也較復雜，而且這種器件由飽和狀態(tài)到關(guān)斷狀態(tài)時，由于要將過量的少數(shù)載流子從基區(qū)除去，所以有一個過渡的存儲時間（一般常達幾個μs），只有經(jīng)過此段存儲時間以后，器件才開始關(guān)斷，集電極上才可以承受電壓。因此限制了該種器件的工作頻率不可能很高，如果要提高工作頻率，就要采用抗飽和電路，則增加了電路的復雜性，而且工作頻率提高也很有限，另外，在器件的額定工作范圍內(nèi)會產(chǎn)生二次擊穿現(xiàn)象，安全工作區(qū)窄，器件并聯(lián)使用時，均流比較麻煩。場效應管是電壓驅(qū)動器件，輸入阻抗很高，幾乎不需要驅(qū)動功率，大大減化了驅(qū)動電路，有時可由CMOS電路和集成電路直接驅(qū)動，該種器件不象雙極型晶體管有少數(shù)載流子儲存在基區(qū)電荷中，而是多數(shù)載流子器件，它不存在存儲效應，沒有存儲時間，高的開關(guān)速度使器件在高頻下可有效工作，提高了開關(guān)電源的工作頻率。這種器件不存在二次擊穿現(xiàn)象，它的安全工作區(qū)范圍寬，由電壓、電流的額定值和功率負荷所決定。場效應功率管和雙極型功率管安全工作區(qū)的比較如圖 所示[13]，從圖中可看出，在額定電壓電流相同情況下，場效應管的安全工作區(qū)明顯較大。由于該種器件的漏源導通電阻 RDS（ON）具有正溫度系數(shù)，當溫度升高時，RDS（ON）增大，當器件并聯(lián)應用時，有自動均流作用，均流電路可以非常簡單。該種器件的缺點是導通壓降較大，而且對靜電感應敏感，需要適當?shù)撵o電放電保護措施。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是新出現(xiàn)的一種器件，是由場效應管和雙極型晶體管組合而成，其輸入電路如同場效應管，輸出電路如同雙極型晶體管，因此其輸入阻抗高、輸出阻抗低、飽和壓降小，具有雙極型晶體管和場效應管所具有的一些優(yōu)點，而且耐壓高，額定電流大，但其開關(guān)輸出脈沖的后沿有一個1μs長的拖尾電流，工作頻率不能做的太高，而且價格較貴，通常認為，在中、小功率范圍內(nèi)，采用場效應管是適宜的，其開關(guān)頻率很高，可以減少整個電源的體積、重量和成本，驅(qū)動可以采用簡單的脈沖變壓器，通過管子并聯(lián)的方案可解決其容量不足問題，其耐壓值較低適合單相輸入的情況。絕緣柵晶體管輸出容量大、耐壓高、飽和壓降小，是大功率開關(guān)電源的首選器件。綜上所述，考慮到屬于中小功率范圍，采用單相交流電供電，全橋變換電路，對功率器件耐壓和額定電流要求較低，并且應盡量使電路簡化，工作可靠，盡可能提高工作頻率，使體積縮小，重量減輕，我們選擇了VMOS場效應管。 IRF306功率MOSFET和2N6545雙極型功率管安全工作區(qū)的比較由于功率轉(zhuǎn)換電路工作在較高頻率，接在高頻變壓器后的整流二極管也工作 在較高頻率，整流二極管也需用高頻大功率管。大功率高頻整流二極管工作在高頻狀態(tài)，應使用具有低的正向壓降，小的反向電流，低的反向恢復時間和軟恢復特性，同時具有足夠的耐壓，較高的浪涌能力的整流二極管。肖特基二極管的正向壓降很低，其它方面的性能也比較好，但其耐壓較低（50V），在本電源中無法使用，因此選用具有軟恢復特性的快恢復二極管，以減小電源所產(chǎn)生的噪聲[14]。高頻變壓器是變換器電路的關(guān)鍵部件之一[14,15]，由于功率器件性能的改善以及軟開關(guān)技術(shù)等的采用使得開關(guān)器件損耗大為降低，因此，降低高頻變壓器的損耗已成為提高開關(guān)電源效率的重要因素。硅（硒）鋼片磁感應強度雖然很高，但在高頻下?lián)p耗大不能使用。鐵氧體磁性材料電阻率高、高頻損耗小，但它的飽和磁感應強度太低，所以使用時，需要較大的磁芯面積，且具有易碎性，制造大型磁芯有一定難度。非晶態(tài)合金是近年來發(fā)展起來的新材料，其磁感應強度高，電阻率大，對渦流阻力大，矯頑力小，損耗低，但以U型供貨的磁芯磁感應強度大大降低，而以環(huán)形供貨的磁芯繞制線圈比較困難，并且尺寸不夠大，要滿足較大容量的開關(guān)電源需求還有待進一步解決。鑒于以上分析，我們選用E型鐵氧體磁芯繞制高頻變壓器，考慮到工作頻率較高，為減小趨膚效應的影響，采用銅箔繞制。 控制電路 控制電路的主要功能為：① 給全橋變換電路的四個功率開關(guān)器件提供固定占空比的驅(qū)動脈沖，并控制左右兩個半橋支路之間的相位關(guān)系，通過改變輸出脈沖寬度對輸出電壓進行調(diào)整。② 對整流模塊電路的檢測、保護和告警，主要包括：輸出直流電壓過壓、電流過流的保護及告警，電路過熱保護，限流調(diào)節(jié)、交流電壓過壓、欠壓保護、軟啟動及模塊并聯(lián)均流等功能。③ 為監(jiān)控模塊提供電壓、電流及控制信號的接口。移相全橋變換電路需要專門控制芯片驅(qū)動。美國 Unitrode 公司推出的 UC3875 是專供移相全橋控制方案使用的 PWM 控制芯片[16],[17]，可驅(qū)動全橋變換器中的四個開關(guān)管。UC3875主要由以下幾個部分組成：基準電源、振蕩器、鋸齒波發(fā)生器、誤差放大器、軟啟動、移相控制信號發(fā)生電路、過流保護、死區(qū)時間設(shè)置、輸出級。這是一種電壓控制型和電流控制型相兼容的芯片，占空比可調(diào)范圍為0100%，開關(guān)頻率可以達 1MHz，輸入電壓欠壓鎖定，低的軟啟動上升電流，四個輸出均為2A圖騰柱輸出，可以直接驅(qū)動MOSFET或經(jīng)過放大驅(qū)動大功率MOSFET或IGBT，因此由該芯片構(gòu)成的電路簡單，所需外圍器件少。在UC3875的基礎(chǔ)上，采用其它集成電路芯片及相關(guān)電路進行檢測，并實現(xiàn)整流模塊輸出電壓過壓，輸出電流過流保護及告警，電路過熱保護，交流電壓過壓，欠壓保護，限流調(diào)節(jié)等項功能。電路輸入端接單相交流220V電壓，輸入濾波電路起低通濾波器作用，濾除市電電源所附帶的干擾，并避免功率變換電路產(chǎn)生的電壓、電流尖峰進入市電電源。經(jīng)濾波后的單相電被整流濾波 成直流電供給全橋式功率變換器，變換器在PWM控制電路的控制下將直流電轉(zhuǎn)換成高頻交流方波，經(jīng)高頻變壓器隔離并傳輸?shù)酱渭墸哳l整流濾波電路將交流方波轉(zhuǎn)換成直流，再經(jīng)輸出濾波電路濾波后輸出電壓穩(wěn)定的直流電?？刂齐娐犯鶕?jù)檢測到的輸出電壓的高低，調(diào)整控制兩個半橋支路的相位關(guān)系，改變輸出脈沖的寬度，從而調(diào)整了輸出電壓，使輸出電壓穩(wěn)定。若檢測到輸出電壓出現(xiàn)過壓，負載變重出現(xiàn)過流，功率器件出現(xiàn)過熱等現(xiàn)象，保護及告警電路立即切斷控制脈沖，使電路停止工作，并發(fā)出聲、光報警信號，從而避免了事故發(fā)生，保證了電路的安全。
圖 整流模塊原理框圖在農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)，大部分地方為單相配電。因此該部分一般是接入單相配電，單相交流電給高頻開關(guān)整流模塊供電，以使供電平衡。該部分還將交流電轉(zhuǎn)換成相應的自流信號供監(jiān)控模塊檢測。 直流配電模塊該部分將4塊高頻開關(guān)整流模塊的輸出匯合后分成兩路，一路直接給蓄電池充電，另一路經(jīng)電壓調(diào)整后輸出，給程控交換機等通信設(shè)備供電（）。如果市電中斷，蓄電池能自動對通信設(shè)備供電，若停電時間過長，蓄電池電壓降至44V 時，檢測控制電路立即將蓄電池的供電電路自動切斷，防止蓄電池過放，以保護蓄電池。該部分還應將充電電壓、總電流、輸出電壓、電流轉(zhuǎn)換成相應的直流信號，供監(jiān)控模塊檢測。 直流配電模塊原理框圖 監(jiān)控模塊監(jiān)控模塊的功能應為：① 檢測4只高頻開關(guān)整流模塊，交流配電模塊以及直流配電模塊的電壓、電流等參數(shù)并顯示某些重要參數(shù)。② 通過對整流模塊工作狀態(tài)的檢測，判斷其工作狀態(tài)是否正常，當工作不正常，而整流模塊的本身控制保護電路又沒有動作時，監(jiān)控模塊可使其自動停止工作，并產(chǎn)生聲光報警信號，實現(xiàn)雙重保護，以保證電路安全；通過對交流電壓的測量，在其電壓過高或過低時也使整流模塊自動停止工作，當市電電壓恢復正常時，又能使整流模塊自動開始工作。當市電停電時間較長，蓄電池出現(xiàn)欠壓時，可自動切斷其供電，防止蓄電池過放，當市電來電，蓄電池電壓上升后，又可自動恢復供電。③ 還應具有本地監(jiān)控功能。本地監(jiān)控時通過其RS232串行接口和本地計算機相連實現(xiàn)；當電源的某部分出現(xiàn)故障時，監(jiān)控模塊的面板上會點亮相應的指示燈，并主動將故障情況報告給本地監(jiān)控計算機，計算機可以巡檢并顯示電源各部分的電壓值、電流值、運行狀態(tài)和故障內(nèi)容，也可實現(xiàn)對電源的開機、關(guān)機、浮充/均充等工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換和異常情況告警。為完成上述功能，監(jiān)控模塊的電路以單片計算機80C31為核心[18]，擴展輸入、輸出I/O接口和A/D轉(zhuǎn)換，液晶顯示等外圍電路，由于要檢測的模擬量多達20多個，因此采用具有多路輸入的ADC0809 進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換[19]。由于農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)的工作環(huán)境惡劣，供電情況也差，為保證可靠工作，在硬件和軟件方面都應采取措施， 增強抗干擾能力。 。單相交流電接入交流配電模塊，經(jīng)分配后，給4只高頻開關(guān)整流模塊提供單相交流電，高頻開關(guān)整流模塊將交流電轉(zhuǎn)換成電壓穩(wěn)定的直流電，接入直流配電模塊匯總后，給蓄電池充電，并時對程控交換機等通信設(shè)備供電。監(jiān)控模塊對整機各部分進行檢測，執(zhí)行控制、保護、告警及顯示等項功能。并可通過RS232接口與本地進行通信，實現(xiàn)集中監(jiān)控。 監(jiān)控模塊電路方框圖圖 整機組成原理框圖3 主要電路設(shè)計由于采用VMOS場效應功率管，其工作頻率可以很高，但隨著工作頻率的提高，雖然變壓器及濾波元器件尺寸將縮小，而磁芯損耗和開關(guān)損耗卻都會增大。綜合考慮所使用的功率開關(guān)管的性能、變壓器及濾波元件的尺寸大小，磁芯損耗和開關(guān)損耗，確定開關(guān)頻率為50KHz。 高頻開關(guān)整流模塊主電路的設(shè)計根據(jù)開關(guān)電源對高頻開關(guān)整流模塊的技術(shù)要求及相應的電路方案選擇，高頻開關(guān)整流模塊采用如下的原理電路圖（圖 ）[10],[20],[21]： 高頻開關(guān)整流模塊主電路原理電路圖相移脈寬調(diào)制零電壓開關(guān)(諧振)。如前所述，雖然在形式上它與常規(guī)的PWM全橋變換器電路相同，但開關(guān)管的驅(qū)動和工作方法是完全不同的。實際上，每個半橋支路上的開關(guān)管（左支路 VV2，或右支路VV4）的驅(qū)動波形的占空比略小于50%，存在一定的死區(qū)時間（即延遲時間），設(shè)置延遲時間既是為了防止橋路直通造成電源短路，也是實施諧振的必要時間。圖 （a）中所示的開關(guān)管都是由理想的MOSFET管、結(jié)電容、本體二極管組成，相移諧振工作是利用開關(guān)管內(nèi)部的結(jié)電容和本體二極管來進行工作的。圖 相移PWM全橋電路及其波形（a）電路；（b）波形；（c）右支路開關(guān)實現(xiàn)零電壓開關(guān)的諧振機理在to時刻之前，假定開關(guān)管 VV4導通，流過變壓器初級的電流Ip將功率傳遞給負載。在to時刻，V4管關(guān)斷，由于輸出電感Lo的反射作用，Ip繼續(xù)流動，V4管已關(guān)斷，Ip流入V4管及V3管的結(jié)電容，使C4電荷增加，C3上電荷減小，節(jié)點B的電壓諧振上升，直到t1時刻，V3管的本體二極管 VD3正向偏置，VD3導通并鉗位，直到V3導通，這樣就實現(xiàn)了V3管的零電壓導通。t2時刻為V4管、V3管之間轉(zhuǎn)換，右支路的死區(qū)時間的結(jié)束，此時電流繼續(xù)流過V V3，但沒有電壓加到變壓器初級繞組。（C）所示。隨后，V1管關(guān)斷，在橋路的左支路死區(qū)時間內(nèi)，節(jié)點A的電壓諧振下降，直到V2管的本體二極管呈正向偏置，這樣V2管也能在零電壓下實現(xiàn)無損耗開通，其作用機理與右支路類似。雖然轉(zhuǎn)換機理類似，但二者區(qū)別較大，在右支路 VV4管轉(zhuǎn)換前，變壓器中流動著負載電流，輸出濾波電感折合到初級，該電流使節(jié)點B的電壓迅速升高，而左支路VV2管轉(zhuǎn)換時，只有變壓器的勵磁電流和漏感起作用，因此，左支路比右支路轉(zhuǎn)換需要較長的死區(qū)時間。在設(shè)計和調(diào)整電路時應充分注意這一問題。 交流輸入濾波器的選型研究交流輸入濾波器由C—L—CΠ型濾波器組成，外罩屏蔽盒，屏蔽盒良好接地，它能將電源內(nèi)部產(chǎn)生的干擾減弱，使其不對電網(wǎng)產(chǎn)生影響，同時又能抑制電網(wǎng)對電源的干擾。假定高頻開關(guān)整流模塊的效率高于90%，則交流輸入功率應為： （31）在交流電網(wǎng)降為90%電壓時，模塊輸入的交流電流為：我們選用DL10K1濾波器，其工作電壓為單相交流250V、5060Hz，電流為10A，其工作電壓、電流及其它技術(shù)指標均能滿足設(shè)計要求。 二極管整流橋D1D4的選擇考慮到鄉(xiāng)鎮(zhèn)的交流電電壓值變化較大，其上限值取220V(1+20%）