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針對市場研制的高效率、低應(yīng)力、低污染、低輸出紋波通信開關(guān)電源

發(fā)布時(shí)間:2012-10-29 責(zé)任編輯:Lynnjiao

【導(dǎo)讀】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(jì)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(gè)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)。

 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(shí)間)應(yīng)≥15萬小時(shí)。

(2)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(gè)方面。

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

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。

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
圖1: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

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(cuò)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(jì)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。

前級功率因數(shù)校正及軟開關(guān)變換電路的原理圖
圖2:前級功率因數(shù)校正及軟開關(guān)變換電路的原理圖

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(shí)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。

控制電路采用Unitrode公司UC3855完成,主、輔管驅(qū)動波形
圖3:控制電路采用Unitrode公司UC3855完成,主、輔管驅(qū)動波形

后級相移軟開關(guān)變換電路原理如圖4所示。

后級相移軟開關(guān)變換電路原理
圖4:后級相移軟開關(guān)變換電路原理

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。

V1,V2,V3,V4的驅(qū)動信號
圖5:V1,V2,V3,V4的驅(qū)動信號

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

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。
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低污染電源變換技術(shù)原理圖
圖6:低污染電源變換技術(shù)原理圖

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(jì),也可以顯著增強(qiáng)電源的抗高頻干擾性能。

輸出紋波抑制措施

開關(guān)電源輸出紋波主要來源于四個(gè)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(jì)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(shí)二極管結(jié)電容、功率器件開關(guān)時(shí)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。

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

結(jié)論

在滿足客戶需求的前提下,系統(tǒng)地分析實(shí)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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