高频通信开关电源的设计

第1章绪论

1.1高频通信开关电源的概述

通信电源是整个电信网的重要组成部分，电源设备质量的优劣，决定着整个电信网能否安全稳定运行。通信设备发生故障时，可能会影响部分用户或使接通率下降。而电源发生故障时，将会造成通信全部中断，所以人们一直将电源视为整个通信系统的心脏，受到足够的重视。通信电源分为一次电源和二次电源两大类，一次电源将交流电转换成稳定的直流电接入通信设备，二次电源一般位于通信设备内部，将一次电源的直流电转换成多种电压值的稳定直流电以供通信设备内部各部分使用。自1957 年第一只可控硅(SCR)问世后，可控硅取代了笨重而且效率低下的硒或氧化亚铜整流器件，可控硅整流器就作为通信设备的一次电源使用。在随后的20年内，由于半导体工艺的进步，可控硅的电压、电流额定值及其它特性参数得到了不断提高和改进，满足了通信设备不断发展的需要，因此，直到70年代，发达国家还一直将可控硅整流器作为大多数通信设备的一次电源使用。虽然可控硅整流器工作稳定，能满足通信设备的要求，但其是相控电源，工作于工频，有庞大笨重的电源变压器、电感线圈、滤波电容，噪声大，效率低，功率因数低，稳压精度也较低。因此，自 1947 年肖克莱发明晶体管，并在随后的几年内对晶体管的质量和性能不断完善提高后，人们就着力研究利用晶体管进行高频变换的方案。1955年美国罗耶（GH·Roger）发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换电路的开始，1957年美国查赛（J. J. Jen Sen）又发明了自激式推挽双变压器变换器电路。在此基础上，1964年，美国科学家提出了取消工频变压器的串联开关电源的设想，并在 NEC 杂志上发表了“脉宽调制应用于电源小型化”等文章，为使电源实现体积和重量的大幅下降提供了一条根本途径。随着大功率硅晶体管的耐压提高和二极管反向恢复时间的缩短等元器件性能的改善，1969 年终于做成了25KHz的开关电源。电源界把开关电源的频率提高到20KHz以上称为电源技术的“20KHz 革命”。开关电源技术的这一新的发展，在世界上引起了强烈的反响和重视，开关电源的研究成了国际会议的热门话题。经过几年的努力，从开关电源的电路拓扑型式到相配套的元器件等研究都取得了相当大的进展。在电路拓扑型式上开发出了单端贮能式反激电路、双反激电路、单端正激式电路、双正激电路、推挽电路、半桥电路、全桥电路，以适应不同应用场合、不同功率档次的需要；在元器件方面，功率晶体管和整流二极管的性能也有了较大的提高。1976年美国硅通用公司第一个做出了

SG1524的脉宽调制（PWM，Pulse Width Modulation）控制芯片，极大地提高了开关电源的可靠性，并进一步减小了体积。尽管如此，由于功率器件的电压、电流额定值的限制，直到上世纪70 年代末开关电源主要用于通信设备的二次电源，而通信设备的一次电源大多数仍采用可控硅整流器（相控电源）。在随后的几年中，大功率晶体管（GTR）和功率场效应管（MOSFET）相继被研制出来，其电压、电流额定值大为提高，工作频率也提高较多，可靠性也显著增加。在电路拓扑、功率器件和控制芯片发展的基础上，80 年代初，英国研制出48V 成套直流电源，作为通信设备的一次电源使用，一个机架包括多个整流模块，交、直流配电模块等，这是当时利用高频直流变换技术为主开发的新成果。在1982 年国际通信能源会议上，关于这一成果发表的论文受到了普遍重视。这一新技术，在研究开发和应用方面得到了迅速的发展。到80年代中后期，绝缘栅双极晶体管（IGBT）已研制出来并投入了市场，各种通信设备所需的一次电源大多采取PWM集成控制芯片、双极型晶体管、场效应管、绝缘栅双极晶体管；半桥或桥式变换电路；开关频率约为几十KHZ，效率约90%左右的高频开关电源。随着微电子学的发展和元器件生产技术的提高，相继开发出了耐压高 (400~500V)的功率场效应管（VMOS管）和高电压、大电流的绝缘栅晶体管（IGBT），具有软恢复特性的大功率高频整流管，各种用途的集成脉宽调制控制器和高性能的铁氧体磁芯，高频用的电解电容器，低功耗的聚丙烯电容等。主要元器件技术性能的提高，为高频开关电源向大功率、高效率、高可靠性方向发展奠定了良好基础。考虑到将交流电直接整流滤波后给开关电源供电时，由于 PWM 直流——直流变换将使交流电网侧功率因数恶化，对交流电网不利。人们经过努力研制了功率因数校正电路（PFC，Power Factor Corrector），该种电路将交流电压经全波整流滤波得到的直流电压进行直流——直流变换，并使输入电流平均值自动跟随全波整流直流电流基准，并且保持输出电压稳定，从而实现对 PWM 直流变换器稳压输出和接近单位输入功率因数。当高频开关整流模块的功率容量较大时，加上功率因数校正电路就避免了对交流电网的影响。为减少开关损耗和提高工作频率，在电路拓扑方面也取得了较大进展，在90 年代设计并研制出准谐振开关变换器（QRC，Quasi Resonant Convertor）和多谐振变换器（MRC，Multi Resonant Convertor），在这方面日本九洲大学原田（耕介）研究室、美国佛吉尼亚理工学院等走在前面，研制出了功率密度为3W/cm3，开关频率从

2.5~

3.85MHz、效率达80~83%的多谐振变换器。这种变换器的优点是实现了软开关，大大降低了开关损耗，可以吸收电路的寄生参数（不在乎电路寄生参数的存

在），而且几乎不产生电磁干扰。缺点是输出同样功率时，比PWM 方式的电压、电流值大，对开关器件要求较高，而且工作频率随输入电压和负载变化有一定的变化范围，不便设计输出滤波电路的参数。到90 年代初，国外通信一次电源应用最多的是采用PWM 控制集成芯片、大功率高压功率场效应管或绝缘栅双极晶体管的开关整流器，德国、英国、法国、澳大利亚、加拿大、日本等国家的开关整流器的开关频率为50-100KHz，功率因数接近1，单模块容量最大可达200A/48V。

1.2课题简介

随着工业、航空、航天、军事等应用领域技术的不断革新，通信业的迅速发展。人们对开关稳压电源的要求也越来越高。高频通信开关电源在通信系统中处于核心地位,并已成为现代通信供电系统的主流。开关电源高频化将是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外高频通信开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。在生产实际中提高设备利用率，减小输入电流波形畸变，以及对电网造成污染。达到“绿色”电源的效果。

在本系统中，我们先通过对高频开关电源的主电路拓扑结构的分析，并结合系统的技术参数，确定系统的主电路拓扑，设计出主电路;然后，通过实验对系统的动态性能进行仿真分析，并结合系统的具体情况，设计出滤波、整流、软启动和保护控制部分。

主要研究内容为：

①确定48V/100A新型高频开关电源的整体方案和各部分的电路方案。整机由高频开关整流模块、交流配电模块、直流配电模块、监控模块组成，置于同一机柜内。该电源既可接入单相交流电，也可接入三相交流电，具有多路直流稳压输出，可分别给程控交换机、光端机等通信设备供电。由于该电源全自动化工作，又具有远程集中监控功能，可实现机房的无人值守。

②研制48V/100A相移脉宽调制零电压（零电流）（PS PWM ZVS）谐振全桥变换器电路和以集成相移脉宽调制控制器为核心的控制电路。经电路仿真和实验优化主要电路参数，使高频开关整流模块稳定可靠工作转换效率达93%，稳压精度达±0.5%。

③设计以MCS-51单片机电路为核心的监控模块和单片机接入以太网的接口电路及相应的通信软件，实现监控模块对交、直流屏，多个高频开关整流模块的监控，