高效率、低應(yīng)力、低污染、低輸出紋波通信開關(guān)電源的研制

摘要：電源是通信系統(tǒng)的供電核心。在系統(tǒng)分析電源關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用軟開關(guān)有源功率因數(shù)校正技術(shù)，相移諧振軟開關(guān)變換技術(shù)和輸入EMI、輸出紋波濾波技術(shù)研制成高效率、低應(yīng)力、低污染、低輸出紋波的開關(guān)電源，并通過了原郵電部入網(wǎng)測試。

關(guān)鍵詞：電源軟開關(guān)功率因數(shù)校正移相諧振

High Efficiency Low Electric Stress Low Electric Pollution Low Output

Ripple Switching Power Supply for Telecommunication

Abstract: power supply is very important for telecommunication.A new high efficiency , low electric stress , low electric pollution and low output ripple switch power supply was fabricated. ZVS active power factor corrector, ZVS full－ bridge phase－ shift converter and new filter for EMI input ＆ output ripple was consisted in the system. The system reaches the standard of MPT requirements.

Keywords: Power supply Soft switching PFC Phase－ shift resonance

1引言

　　高頻開關(guān)通信電源系統(tǒng)是通信、電力、交通、金融等行業(yè)的主要供電設(shè)備，是集電路、磁路、控制及計算機(jī)技術(shù)于一體的高新技術(shù)產(chǎn)品。目前國內(nèi)外許多大公司，包括英國Advance、華為、中興、通力環(huán)等都有系列產(chǎn)品銷售。但隨著通信產(chǎn)業(yè)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，電源技術(shù)也在不斷地前進(jìn)。本文對影響開關(guān)電源性能的幾個關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上研制新型高可靠性、高效率、低污染開關(guān)電源系統(tǒng)。

2市場對新型開關(guān)電源的主要技術(shù)要求

　　（1）高可靠性開關(guān)電源系統(tǒng)MTBF（平均無故障工作時間）應(yīng)≥15萬小時。

　?。?）低電磁污染主要包括低輸入諧波干擾和低高頻電磁干擾兩個方面。

　?。?）低輸出紋波紋波大是開關(guān)電源的缺點之一，是引起數(shù)字電路誤動作、計算機(jī)死機(jī)的主要原因。

3新型開關(guān)電源組成

　　新型低污染、高效率、低應(yīng)力、低輸出紋波開關(guān)電源的原理框圖如圖1所示，主要包括EMI及浪涌吸收濾波電路，前級有源軟開關(guān)功率因數(shù)校正電路，相移諧振軟開關(guān)DC/DC變換電路及輸出紋波抑制電路等。

圖1

4低應(yīng)力高可靠電源變換技術(shù)

　　功率器件開關(guān)應(yīng)力（包括熱應(yīng)力和電應(yīng)力）是影響電源可靠性的主要因素，功率器件的熱應(yīng)力包括其穩(wěn)態(tài)溫升和開關(guān)過程中的動態(tài)功耗兩部分，穩(wěn)態(tài)溫升主要和系統(tǒng)的效率有關(guān)，只有減少系統(tǒng)各元器件的功耗（主要包括變壓器、變換器件、吸收回路的功耗），才能提高系統(tǒng)效率從而降低穩(wěn)態(tài)溫升。動態(tài)損耗即開關(guān)過程中UI乘積，可通過使開關(guān)過程中電壓、電流波形錯位的方法來減少。功率器件的電應(yīng)力即開關(guān)過程中電壓、電流變化率及峰值。新型電源設(shè)計中采用軟開關(guān)變換技術(shù)來減少功率器件的應(yīng)力，提高系統(tǒng)可靠性。軟開關(guān)變換技術(shù)包括前級功率因數(shù)校正、軟開關(guān)變換技術(shù)和后級相移軟開關(guān)變換技術(shù)兩部分，前級功率因數(shù)校正及軟開關(guān)變換電路的原理如圖2所示。

　　控制電路采用Unitrode公司UC3855完成，主、輔管驅(qū)動波形如圖3所示，V1為主開關(guān)管，V2為輔助開關(guān)管，在主管V1開通之前先使V2導(dǎo)通，實現(xiàn)主開關(guān)管的ZVS開通，從而顯著降低功率器件的開關(guān)損耗和開關(guān)電應(yīng)力，提高系統(tǒng)的可靠性和電磁兼容性。

圖2

圖3

　　后級相移軟開關(guān)變換電路原理如圖4所示。

　　V1－V4組成橋式變換電路，L1為儲能諧振電感，其控制由Unitrode公司UC3875完成，V1，V2，V3，V4的驅(qū)動信號如圖5所示。

　　該電路工作的主要難點是如何在比較大的范圍內(nèi)使滯后臂實現(xiàn)軟開關(guān)，通過諧振電感、電容及死區(qū)時間的優(yōu)化設(shè)計滿足要求。

圖4

圖5

5低污染電源變換技術(shù)

　　低頻諧波干擾及高頻電磁干擾是開關(guān)電源污染的主要形式，低頻諧波干擾主要來源于開關(guān)電源輸入的非線性。目前減少低頻諧波干擾的主要措施有：無源校正措施和有源校正措施。新型電源采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)，即采用有源功率變換使開關(guān)電源輸入線性化的技術(shù)，原理如圖6所示。其工作原理是通過電壓、電流閉環(huán)控制和功率變換電路使輸入電流跟蹤輸入電壓，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，減少低頻諧波。

圖6

　　高頻電磁干擾是開關(guān)電源的另一種污染，指150kHz～30MHz的高頻傳導(dǎo)干擾。主要包含兩類干擾：常模干擾，即高頻器件開關(guān)引起的輸入線之間的干擾；共模干擾，即功率器件、變壓器與機(jī)殼地之間的漏電流引起的輸入線與機(jī)殼地之間的干擾。電源中采用了常模共模濾波網(wǎng)絡(luò)，濾除電源高頻干擾。另外，在功率器件、變壓器與機(jī)殼地之間采用法拉地屏蔽器、主功率變換采用軟開關(guān)技術(shù)及優(yōu)化輸入電感濾波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，也可以顯著增強(qiáng)電源的抗高頻干擾性能。

6輸出紋波抑制措施

　　開關(guān)電源輸出紋波主要來源于四個方面，即輸入交流電源噪聲，高頻差模噪聲，寄生參數(shù)引起的共模噪聲和功率器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲。

　　交流電源噪聲主要來源于輸入工頻交流分量，可采用前級預(yù)穩(wěn)壓和增大DC/DC變換器閉環(huán)增益來消除。

　　高頻差模噪聲來源于高頻功率開關(guān)變換電路，其大小主要和開關(guān)電源的變換頻率、輸出濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)，設(shè)計中盡量提高功率變換頻率，以減少高頻開關(guān)噪聲。

　　共模噪聲主要來源于功率器件、變壓器與機(jī)殼地之間的漏電流，盡量減少功率器件、變壓器與機(jī)殼地之間的寄生電容，并在輸出側(cè)加共模電感及共模電容，可減小輸出共模噪聲。

　　超高頻諧振噪聲，主要來源于高頻整流二極管反向恢復(fù)時二極管結(jié)電容、功率器件開關(guān)時功率器件結(jié)

電容與線路寄生電感的諧振，頻率一般為1～10MHz，

通過選用軟恢復(fù)特性二極管、結(jié)電容小的開關(guān)管和減少布線長度等措施可以減少超高頻諧振噪聲。

7新型電源技術(shù)指標(biāo)

輸入電壓范圍：AC154～286V（單相）

輸出電壓范圍：均充57.6V

浮充43.2—56.2V

額定輸出電流：50A

效率：90％

輸入功率因數(shù)：0.98

負(fù)載效應(yīng)：±0.08％

源效應(yīng)：±0.02％

負(fù)載響應(yīng)：<200μ s

起動電流：≤130％

端子干擾電壓：0.15～0.5MHz75dBUV

0.5～30MHz70dBUV

輸出紋波（峰－峰值）：150mV

8結(jié)論

　　在滿足客戶需求的前提下，系統(tǒng)地分析實現(xiàn)高可靠性、低污染、低輸出紋波的技術(shù)措施，并在此基礎(chǔ)上研制成功新型高效率、低污染，低輸出紋波開關(guān)電源，達(dá)到原郵電部入網(wǎng)要求，滿足市場需求。

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