【文章內容簡介】 圖 開關電源整機框圖主要研究內容為：①確定 48V/100A 新型高頻開關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。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制控制器為核心的控制電路。經反復實驗優(yōu)化主要電路參數(shù)，使高頻開關整流模塊穩(wěn)定可靠工作，轉換效率達93%，穩(wěn)壓精度達177。%。 ③ 設計以MCS51單片機電路為核心的監(jiān)控模塊，實現(xiàn)對交、直流屏，多個高頻開關整流模塊的監(jiān)控，并可通過互聯(lián)網實現(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。根據(jù)電源容量需要，裝入適當塊數(shù)的高頻開關整流模塊，隨著交換機容量的擴大，還可陸續(xù)增加整流模塊，以滿足通信設備的需要。 高頻開關整流模塊由于該電源的高頻開關整流模塊的輸出既對通信設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。 變換器電路開關電源采用常規(guī)的PWM 方式工作[9]，在開關轉換期間，功率器件上會同時承受高電壓和大電流，造成轉換時功率損耗較大，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。為了減少開關損耗，提高工作頻率并增加可靠性，人們在PWM 硬開關的基礎上提出幾種軟開關電路拓撲，主要有準諧振開關變換器（QRC），多諧振開關變換器（MRC）以及相移脈寬調制零電壓（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，大大降低了開關損耗，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，對開關器件要求較高，此外其正弦波較高的峰值電流引起的正向導通損耗增大，在一定程度上又抵消了一些降低開關損耗的好處，而且工作頻率隨輸入電壓和負載變化有一定的變化范圍，不便設計輸出濾波電路的參數(shù)。相移脈寬調制零電壓開關(諧振)變換器仍采用PWM工作方式，只在開關轉換時采用諧振方式，這樣既克服了PWM方式硬開關造成的較大開關損耗問題，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。 相移脈寬調制零電壓開關（諧振）變換器原理框圖相移脈寬調制零電壓開關(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器件同時驅動導通，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)調整。而在相移PWM電路中，四個開關管連續(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系，通過改變輸出脈沖的寬度進行調整，當對角開關管同時導通時才輸出功率。當接于電源正端的上部開關管（VV3）或接于負端的下部開關管（VV4）同時導通時，變壓器初級實質上被短路，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)諧振轉換的條件。因此，相移脈寬調制全橋電路同時具有脈寬調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性能，也可顯著提高開關變換器的可靠性。 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動，基極驅動功率較大，驅動電路也較復雜，而且這種器件由飽和狀態(tài)到關斷狀態(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），只有經過此段存儲時間以后，器件才開始關斷，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會產生二次擊穿現(xiàn)象，安全工作區(qū)窄，器件并聯(lián)使用時，均流比較麻煩。場效應管是電壓驅動器件，輸入阻抗很高，幾乎不需要驅動功率，大大減化了驅動電路，有時可由CMOS電路和集成電路直接驅動，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，高的開關速度使器件在高頻下可有效工作，提高了開關電源的工作頻率。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，采用場效應管是適宜的，其開關頻率很高，可以減少整個電源的體積、重量和成本，驅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，以減小電源所產生的噪聲[14]。高頻變壓器是變換器電路的關鍵部件之一[14,15]，由于功率器件性能的改善以及軟開關技術等的采用使得開關器件損耗大為降低，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器件提供固定占空比的驅動脈沖，并控制左右兩個半橋支路之間的相位關系，通過改變輸出脈沖寬度對輸出電壓進行調整。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]，可驅動全橋變換器中的四個開關管。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，占空比可調范圍為0100%，開關頻率可以達 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，可以直接驅動MOSFET或經過放大驅動大功率MOSFET或IGBT，因此由該芯片構成的電路簡單，所需外圍器件少。在UC3875的基礎上，采用其它集成電路芯片及相關電路進行檢測，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生的電壓、電流尖峰進入市電電源。經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換成高頻交流方波，經高頻變壓器隔離并傳輸?shù)酱渭?，高頻整流濾波電路將交流方波轉換成直流，再經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，調整控制兩個半橋支路的相位關系，改變輸出脈沖的寬度，從而調整了輸出電壓，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整流模塊供電，以使供電平衡。該部分還將交流電轉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，另一路經電壓調整后輸出，給程控交換機等通信設備供電（）。如果市電中斷，蓄電池能自動對通信設備供電，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)和故障內容，也可實現(xiàn)對電源的開機、關機、浮充/均充等工作狀態(tài)轉換和異常情況告警。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)轉換[19]。由于農村鄉(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，經分配后，給4只高頻開關整流模塊提供單相交流電，高頻開關整流模塊將交流電轉換成電壓穩(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，而磁芯損耗和開關損耗卻都會增大。綜合考慮所使用的功率開關管的性能、變壓器及濾波元件的尺寸大小，磁芯損耗和開關損耗，確定開關頻率為50KHz。 高頻開關整流模塊主電路的設計根據(jù)開關電源對高頻開關整流模塊的技術要求及相應的電路方案選擇，高頻開關整流模塊采用如下的原理電路圖（圖 ）[10],[20],[21]： 高頻開關整流模塊主電路原理電路圖相移脈寬調制零電壓開關(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，但開關管的驅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管（左支路 VV2，或右支路VV4）的驅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）中所示的開關管都是由理想的MOSFET管、結電容、本體二極管組成，相移諧振工作是利用開關管內部的結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）右支路開關實現(xiàn)零電壓開關的諧振機理在to時刻之前，假定開關管 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管關斷，由于輸出電感Lo的反射作用，Ip繼續(xù)流動，V4管已關斷，Ip流入V4管及V3管的結電容，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管之間轉換，右支路的死區(qū)時間的結束，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管關斷，在橋路的左支路死區(qū)時間內，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。雖然轉換機理類似，但二者區(qū)別較大，在右支路 VV4管轉換前，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，左支路比右支路轉換需要較長的死區(qū)時間。在設計和調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，它能將電源內部產生的干擾減弱，使其不對電網產生影響，同時又能抑制電網對電源的干擾。假定高頻開關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、電流及其它技術指標均能滿足設計要求。 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%）