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高频开关电源系统

高频开关电源系统


高频开关电源系统,包括开关整流设备、阀控式铅酸免维护蓄电池、直流馈电柜等,虽然设备不多,但它却独当一面,是保障通信设备、电网供电稳定和连续性的重要设备。这些设备维护得好坏,不仅关系到高频开关电源系统的可靠性和寿命,而且直接涉及到电网的平稳运行。


高频开关电源系统,以开关整流器为根底,分离交直流配电、化控制器并配有集中监控模块的应用,使电源系统功用不时趋于完善,监测、控制、显现明晰明了,并能够和中央监控系统通讯,完成远间隔遥控、遥信、遥测和无人值守。


基本要求

智能高频开关电源系统设备,其智能化程度高,电池采用免维护蓄电池,虽然给我们带来了许多便利,但在使用过程中要注意以下几个方面,以确保使用安全。

——高频开关电源系统对环境温度要求不高,在-5~+40℃都能正常工作,但要求室内清洁、少尘,否则,灰尘加上潮湿会引起主机工作紊乱。蓄电池则对温度要求较高,标准使用温度为25℃,建议温度范围+15~+30℃。若温度太低,会使蓄电池容量下降,温度每下降1℃,其容量下降1%;蓄电池放电容量会随温度升高而增加,但寿命降低,如果在高温下长期使用,温度每增高10℃,电池寿命约降低一半。

——高频开关电源系统中设置的参数必须控制在规定指标内,在使用中不能随意改变。

——直流电源系统在使用中要避免随意增加大功率的额外设备(负载),也不允许在满负载状态下长期运行。因为,工作性质决定了直流操作电源系统几乎是在不间断状态下运行的,增加大功率负载或在基本满载状态下工作,都会造成整流模块出故障,严重时将损坏变换器。

——由于蓄电池组输出电流很大,存在电击危险,因此装卸、改接导电连接条(线)、输出线时应特别注意安全,使用的工具应采取绝缘措施,以保证人身和设备安全。

——不论是在浮充工作状态还是在放电检修测试状态,都要保证电压、电流符合规定要求。电压或电流过高可能会造成电池的热失控或失水,电压或电流过小会造成电池亏电,这都会影响电池的使用寿命,尤其是前者的影响更大。

——在任何情况下都应防止电池短路或深度放电,因为电池的循环寿命和放电深度有关。放电深度越深循环寿命越短。在容量试验或放电检修中,通常放电达到容量的30%~50%就可以了。

——蓄电池应避免大电流充放电,否则会造成电池极板膨胀变形,使得极板活性物质脱落,电池内阻增大并且温度升高,严重时将造成容量下降,寿命提前终止。

——阀控式密封蓄电池是贫液式电池,无法进行电解液比重测量,所以如何判定它的好坏,最可靠的方法还是放电法,也可以用电导仪测电池的内阻来判定阀控式密封蓄电池的好坏,但准确性较差。

  开关整流器是电源系统中最重要的局部,它的技术能否先进,关系着开关电源系统的功用和牢靠性。因而,一些自主开发的厂商很注重开关整流器技术性能的改良,其目的是使开关整流器的牢靠性和效率得到很大进步,使其本钱和高频电磁干扰降低。

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  2 恒功率整流器技术


  恒功率整流器,其突出特性是在规则的交流输入电压和直流输出电压范围内,均能给出额定功率。即在蓄电池低电压时,仍能输出更大的电流。这种采用恒功率设计的新型高频开关电源系统,是通讯电源构思上的一个飞跃,也是现代通讯电源设备的最优选择。


  在普通限流型整流器中,依据蓄电池的贮能状况,其输出特性可分为两个不同的阶段,即恒流和恒压阶段。在恒流阶段,其输出电流坚持不变,即对蓄电池停止恒流充电;在恒压阶段,其输出电压坚持不变,即对蓄电池停止恒压充电。


在恒流阶段,假如欲使负载电流超越限流值,则整流器输出电压将随电流增加而快速降落直到整流器过流关闭。其额定电流、限定电流及过流值都很接近,因而,采用限流型整流器设计的开关电源系统,给已放电的蓄电池在某一特定的充电时间内停止充电,所能提供的最大输出电流就不可能是通讯设备所需最大负载。


终究以多大的电流对已放电的蓄电池再充电,通常要从通讯设备所需的最大负载、停电后蓄电池放电的安时数和恢复蓄电池容量所需的充电时间等三个方面来思索。普通要留出33%~45%额定电流给停电后已放电的蓄电池再充电。这也就相当电源系统中33%以上整流模块长期处在备用状态而未被充沛应用。显然,这种电源系统设计不是最优设计。


  恒功率整流器与限流型整流器不同之处,是在恒压和恒流阶段中插入一个恒功率阶段,这就是所谓恒功率整流器。该整流器工作在三个不同输出阶段,即恒压、恒功率和恒流阶段,恒压和恒流阶段的工作状况,与限流型整流器完整相同,契合国度有关规范规则。所不同的是在恒功率阶段,整流器输出功率坚持不变,但其输出电压可从60V随着电流增加而线性地减小至43V,此时,系统仍处在正常工作状态。整流用具有这一特性,就能为已放电的蓄电池提供更大的充电和更快速充电。因而,采用恒功率整流器设计的开关电源系统,普通只需思索电信设备最大负载和一个整流器的冗余,就能够肯定电源系统的额定输出功率。这与采用限流型开关电源系统相比拟,所需的整流功率和所需的整流模块数量至少能够减少33%以上,这也就为用户极大地节约了投资。


  3 相移谐振脉宽调制技术


  相移谐振脉宽调制与普通PWM电路的区别,可用全桥式变换器来阐明,即在高频变压器初级电路中串入了一个谐振电感并加上两个小电流箝位二极管。但是,两者在开关管驱动方式上区别很大。普通PWM电路的驱动方式是使位于逆变桥对角的2只开关管同时导通或同时关断。在开关管截止后,每尽管的结电容上都贮存了一定的能量。当开关管导通时,这些能量将经过开关管放掉,额外增加了开关损耗。由于这时电流变化率很大,产生的电磁干扰以及开关管在开关霎时接受的功耗峰值也很大。


  在相移谐振脉宽调制电路中,为了完成零电压导通,使逆变桥中位于同一侧上、下两个开关管交替截止与导通转换间设置一死区,死区时间应等于或略大于二分之一谐振周期。即当上端的开关管关断后,谐振电感和结电容产生振荡直至下端开关管电压为零后,才驱动下端开关管导通,即零电压导通。结电容中贮存的能量输出到高频变压器次级或回馈到了电源,不会形成损失。


  在硬开关方式中,一个几百瓦的开关管在开关霎时要接受几千瓦的功率峰值,其电应力常常会在20多秒内把开关管损坏。而软开关技术降低了开关管在导通与关断时所接受的应力,减少了开关损耗,使开关管发热量减少,温升降低,效率自然进步,同样使开关管的牢靠性显著进步。另外,采用软开关技术可使EMC费用降低,散热器费用减少并可使选用的开关参数余量减少,允许开关管工作在更高的温度上,从而使产品的本钱降低了。意科公司消费的48V/40A、48V/50A整流器测试数据标明,软开关技术可使开关损耗降到可疏忽水平,功率变换局部的效率可到达94%。


  4 有源功率因数校正技术


  普通开关整流器大多数采用电容器滤波。这种滤波电路,只要输入电压超越滤波电容贮存电压时才导通。因而,输入电流成脉冲波形,且谐波电流很大,形成功率因数降落。低功率因数开关电源的运用,严重污染了电网,干扰了其它设备,增大了前级设备(如变压器、电缆传输、柴油发电机等)的功率定额,使供电系统容量至少要增大30%以上,运用户增加了投资。关于三相四线输入,当三相负载不均衡时,零线电流会很大。从实践运转结果来看,低功率因数的开关电源所带来的危害是很严重的,这是由于输入电流有很高的峰值,含有大量的高次谐波,不但产生严重电磁干扰,还使供电变压器产生大的电磁应力,噪音增大,铁损严重,温升剧增。因而,在整流器设计中,认真设计好功率因数校正电路是至关重要的。


  有源功率因数校正电路,通常运用Unitrode公司的UC3854控制芯片。采用固定高频谐振软开关脉宽调制升压式变换电路,均匀电流型控制办法。为使有源功率因数电路做得更好,可参加一个升压缓冲器,这种电路通常有两种方式,一种是参加一个零压主开关和一个零流辅助开关,但零流辅助开关的驱动和控制电路较复杂,造价较高;另一种缓冲器,只采用一个零流主开关,而不用辅助开关,因而,这种电路造价低,设计便当,也由于没有零压开关,这就阻止了开关频率的增加。由于采用了升压缓冲器,从而极大地降低了高压二极管和大功率VMOS管的开关损耗,并大大降低了电磁干扰。该电路的输入端串入阻值很小(约50mΩ)的采样电阻,流经采样电阻的实践电流与全波整流100Hz正弦输入电压比拟,并经过反应,使输入电流波形跟踪电压波形,这样整流器根本上工作在纯电阻状态。


  采用UC3854芯片的功率因数校正电路属于电流电压复合控制系统。它在调整输入电流跟踪输入电压的同时,经过芯片内部的乘法器也在同时调整输出电压,使输出电压稳定在400V左右。为后一级全桥变换器提供不受输入交流电压影响的稳定直流电压。这就便当了全桥变换器的优化设计。由于电压稳定,全桥DC/DC变换器能够采用最佳变比,高频变压器、滤波电感、开关管及二极管都可工作在最佳状态,效率也有进步。


  5 用一个主频同步控制PFC、DC/DC变换器和辅助开关电源


  有源功率因数校正器(APFC)实践上是一个高频脉宽调制升压变换预调器。它的输出电压通常比交流输入峰值电压高。接在功率因数校正器输出端作为能量贮存用的电解电容器,在开关管截止时,升压电感器贮存的能量将经过升压二极管对其充电。而接在电解电容器下一级的DC/DC全桥变换器所需的电流是经过软开关脉冲控制从电解电容器放电中得到。


  在普通开关电源中,由于DC/DC变换器开关频率和功率因数校正器开关频率不一样。因而,在电解电容器充放电过程中,电解电容器电压不会处在一个稳定电压上。通常是在400 V根底上,加上电解电容器充放电的脉冲电压,脉动电压峰-峰值很大,常会形成电解电容损坏,这是一个不容无视的问题。


  在功率因数校正器和DC/DC变换器中,采用一个主频同步控制功率因数校正器的开关管和DC/DC变换器中的软开关同时工作。当使经过升压二极管的充电电流和经过DC/DC变换器的电流尽可能堆叠时,即电解电容器同时充放电时,电解电容器上的脉动电压峰-峰值将减小。


  理论证明:当整流器电解电容器上的脉动电压减小40%以上时,将使电解电容器的寿命延长,牢靠性增加,在返修的整流模块中很少见到电解电容器损坏的。这一办法可使电解电容器稳定牢靠地工作。


  假如辅助开关电源的开关频率也受同一个主频同步控制,则整个整流模块只要一个开关频率基涉及其高次谐波,这就便于模块平滑滤波,也可免去多个开关频率的互相干扰。


  6 倍流整流器技术


  通常DC/DC变换器是一个全桥功率变换器,在高频变压器次级也常运用全波整流技术。因而, 在普通整流器中,高频变压器次级绕组必需有一个中心抽头并与电路参考电压(地)相连,中心抽头把高频变压器次级绕组分红两个电感器。


  倍流整流器是由一个没有中心抽头的高频变压器次级绕组,两个电感量相等而且同绕在一个磁芯上的电感器以及由两个整流二极管和输出电容器组成。


  倍流整流器最突出特性是高频变压器次级绕组没有中心抽头,而且流过变压器线圈和滤波电感器电流只是输出负载电流一半。因而,大大简化了高频变压器和滤波电感器构造设计。但电路中需多加一个滤波电感器,两个滤波电感器的电感总值,可等于或略小于普通全波整流器扼流圈的电感值,由于流过两个滤波电感器的电流,其工作频率和电流变化速度均较低。由于倍流整流器输出电流是两个滤波电感器电流的总和,而两个滤波电感器的脉动电流是相消的。因而直流输出脉动电流也较低。


  7 四层印刷版外表贴装技术


  现代通讯设备朝着更轻更小的方向开展,高密度半导体集成电路的呈现为之发明了有利条件。这也对开关电源提出新的应战。为此应把先进性与牢靠性有机地溶为一体;把应用最新器件及具有国际程度的系统构造设计、工艺设计溶为一体;把不时改良工艺设计,不时更新设备(其中包括高密度的外表贴装设备与自动半自动插件机)溶为一体。


工作流程详解

电源→输入滤波器→全桥整流→直流滤波→开关管(振荡逆变)→开关变压器→输出整流与滤波。

交流电源输入经整流滤波成直流

通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上

开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载

输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的

交流电源输入时一般要经过厄流圈一类的东西,过滤掉电网上的干扰,同时也过滤掉电源对电网的干扰;

在功率相同时,开关频率越高,开关变压器的体积就越小,但对开关管的要求就越高;

开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头,以得到需要的输出;

一般还应该增加一些保护电路,比如空载、短路等保护,否则可能会烧毁开关电源.

主要用于工业以及一些家用电器上,如电视机,电脑等SDRFWEF

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