移動通信開關(guān)電源的新技術(shù)及其應(yīng)用
2019-11-03 09:54:34
供稿：網(wǎng)友
移動通信開關(guān)電源的新技術(shù)及其應(yīng)用(何洪偉)摘要本文介紹了目前移動通信網(wǎng)中使用的開關(guān)電源所采用的新技術(shù)和其實際應(yīng)用，了解和掌握這些新技術(shù)對設(shè)備維護(hù)和工程建設(shè)均具有重要的現(xiàn)實意義。關(guān)鍵詞 開關(guān)電源 新技術(shù) 應(yīng)用1前言 20 kHz開關(guān)電源從 70年代在國外開始出現(xiàn)，到現(xiàn)在開關(guān)電源已在計算機、通信、家用電器等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。隨著集成電路、功率開關(guān)器件的發(fā)展，開關(guān)電源經(jīng)歷了從分離元件到集成化、從較低頻率到較高頻率、從小容量到大容量的過程。開關(guān)電源技術(shù)也從簡單發(fā)展到復(fù)雜并趨向成熟。 由于電源在通信系統(tǒng)中處于心臟的地位，因此通信系統(tǒng)對高頻開關(guān)電源的各項指標(biāo)要求都非常嚴(yán)格，尤其對功率因數(shù)、穩(wěn)壓精度、雜音電壓及效率的要求很高。所以可以說通信系統(tǒng)中使用的高頻開關(guān)電源代表了開關(guān)電源整體行業(yè)的水平，也代表了開關(guān)電源的最新技術(shù)。 目前江蘇省移動通信設(shè)備主要使用美國LORAIN、杭州施威特克（中恒）、北京通力環(huán)、武漢517等廠家的高頻開關(guān)電源產(chǎn)品，根據(jù)輸出電壓值可分為+27V和-48V兩種系列。這些廠家的產(chǎn)品雖然在外觀上差異較大，但都采用了一些相同或類似的新技術(shù)，因此產(chǎn)品質(zhì)量和性能指標(biāo)相對較好。下面結(jié)合江蘇省移動通信設(shè)備使用的幾種開關(guān)電源，概括介紹當(dāng)今高頻開關(guān)電源中采用的一些新技術(shù)以及采用這些新技術(shù)的原因及其實用意義。2使用新的功率開關(guān)器件 從90年代中期開始，功率開關(guān)器件的研制取得飛速發(fā)展，高電壓、大電流、導(dǎo)通電阻小的功率開關(guān)器件逐步研制出來。由于屬氧化物場效應(yīng)管（MOSFET ）具有開關(guān)時間短（＜10ns）。激勵功率?。妷杭钇骷?、對溫度不敏感、無二次擊穿、開關(guān)損耗低、脈沖拖尾電流小且易于并聯(lián)使用的優(yōu)點，在開關(guān)電源中已取代了傳統(tǒng)雙極型晶體管而成為新的功率開關(guān)器件。目前MVOS功率金屬氧化物場效應(yīng)管開關(guān)頻率可達(dá)到 450 MHz，已廣泛于頻率較高的開關(guān)電源，但普通VMOS管在高電壓大電流工作時導(dǎo)通電阻很大，器件發(fā)熱，輸出效率下降。近年研制出的IGBT絕緣柵雙極型晶體管不僅具有MOSryT電壓激勵等所有優(yōu)點，同時還具有雙極大功率管正向飽和導(dǎo)通壓降低的特性，主要用于百瓦級到千瓦級容量頻率為2kkkHz左右的開關(guān)電源中。根據(jù)日常的維護(hù)和維修工作統(tǒng)計，江蘇省使用的幾種廠家的開關(guān)電源模塊中均采用了IGBT絕緣柵雙極型晶體管作為功率開關(guān)器件。3采用功率因數(shù)補償電路 功率因數(shù)在電源系統(tǒng)中是一項非常重要的指標(biāo)，功率團(tuán)數(shù)(Pf)的定義為電網(wǎng)中突變或脈動電流產(chǎn)生的有功功率和負(fù)載的視在功率之比，理想情況下功率因數(shù)為1。造成功率因數(shù)小的主要原因是交流電壓和電流工作在不同的相位（即交流電壓和電流產(chǎn)生相移）或交流電壓和電流的波形產(chǎn)生失真。在高頻開關(guān)電源中主要是由于電源輸入端的整流濾波電路是容性負(fù)載，使交流電壓和電流產(chǎn)生相位偏移而使功率因數(shù)減少。另外，由于電路中其他因素的影響，也會使開關(guān)電源輸入的交流電流產(chǎn)生一些失真。 功率因數(shù)小將對電源系統(tǒng)產(chǎn)生以下影響： (1)使電網(wǎng)輸入交流電流增大。用I表示輸入電流，i表示有功電流，通過計算得出：當(dāng)Pf=1.00，I=1.00i；Pf=0.92I=1.09i； pf=0.75， I=1.45i。 因此在負(fù)載相同的情況下，功率因數(shù)越小電網(wǎng)輸入的交流電流就越大，同時環(huán)路損耗增大，電網(wǎng)供電效率降低 (2)使電網(wǎng)中性電流增大，線路諧波干擾嚴(yán)重。以星形連接四線制）為例，L表示中性電流，當(dāng)Pf=1.00時，Ia、Ib、Ic電流波形為正弦波，且相位相差120°,波形疊加后，In=0度。當(dāng)Pf=<1.00時，In為三相電流Ia、Ib、Ic三次諧波之和。 (3)使電網(wǎng)交流電壓失真。如果電流失真，則交流電壓也會失真，電網(wǎng)交流電壓失真將對電網(wǎng)中的負(fù)載造成不同程度的影響。 由以上分析可以看出功率因數(shù)對通信系統(tǒng)中設(shè)備高效、安全、穩(wěn)定的運行有著直接影響，因此目前各廠家的高頻開關(guān)電源模塊中都設(shè)計有功率因數(shù)補償電路的原理是使電路中交流電源的電壓和電流同相位，并盡可能在使波形為正弦波，減小波形失真，從而使交流輸入的功率團(tuán)數(shù)近似為1。功率因數(shù)補償電路又可分為有源補償電路和無源補償電路兩種，目前各廠家廣泛采用的是有源功率因數(shù)補償電路，該電路的核心元件是美國Unitrode公司的UC3854，通過補償可把功率因數(shù)提高到0.99以上，輸入交流電流為正弦波形，使開關(guān)電源模塊工作在接近純電阻狀態(tài)，同時還具有預(yù)穩(wěn)壓功能。4采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）軟開關(guān)技術(shù)——零電壓開先轉(zhuǎn)換（ZVS）電路 目前高頻開關(guān)電源的功率變換單元多采用脈沖寬度調(diào)制方式，也有些廠家采用頻率調(diào)制方式。脈定調(diào)制的基本原理是通過調(diào)節(jié)脈沖方波的寬度即調(diào)節(jié)方波占空比，使脈沖方波整流濾波后的直流分量發(fā)生變化，達(dá)到輸出穩(wěn)壓的目的，而脈沖方波頻率保持不變。假設(shè)開關(guān)電源整流濾波后的電壓為U，L為變壓器初級線圈，K1、K2、K3、K4等效為四只功率開關(guān)管。 采用通常的脈寬調(diào)制技術(shù)時，當(dāng)K1、K2導(dǎo)通，K3、K4已截止時，L兩端電壓為VL；當(dāng)K1、K2截止，K3、K4導(dǎo)通時，L兩端電壓為一VL。 5采用輸出電流自動均流技術(shù) 由于通信系統(tǒng)不能間斷運行的特殊性，要求電源設(shè)備工作在勢備份的方式，同時由于通信設(shè)備功率大，對電源輸出電流容量的要求也大，因此通信設(shè)備使用的開關(guān)電源均采用各模塊并聯(lián)輸出的開工。這就要求各模塊并聯(lián)工作時輸出電流要相同，對負(fù)載平均分擔(dān)，并且當(dāng)系統(tǒng)中模塊增加或減少時，系統(tǒng)中工作的各模塊能夠自動重新分配輸出電流，實現(xiàn)N+n個模塊的熱備份。 目前各廠家采用的自動均流技術(shù)實現(xiàn)方式各不相同，但原理都是對系統(tǒng)中的模塊的輸出電流進(jìn)行采樣比較，然后將比較差去控制各模塊的輸出電壓的大小，以引來調(diào)節(jié)各模塊的輸出電流，實現(xiàn)各模塊間的均流工作。同精度采樣均流電路可使各模塊間的均流誤差小于正負(fù)3%，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。 以上介紹了江蘇省移動通信系統(tǒng)使用的高頻開關(guān)電源中采用的一些新技術(shù)，這些電源設(shè)備中除了使用了以上介紹的的技術(shù)外，還使用了電池充電電壓溫度補償、開機緩啟動、遠(yuǎn)程撥號監(jiān)控、故障自動檢測等新技術(shù)，這些新技術(shù)的采用，使高頻開關(guān)電源的各項性能指標(biāo)都有較大幅度的提高，使高頻開關(guān)電源越來越穩(wěn)定。目前有些高頻開關(guān)電源產(chǎn)品中還使用了頻率調(diào)制、單片機控制等更新的技術(shù)，這些技術(shù)的使用將會使高頻開關(guān)電源更加成熟和完善，了解、跟蹤和掌握這些新技術(shù)將會對我們的日常維護(hù)工作和工程設(shè)計建設(shè)起到較大的指導(dǎo)作用。摘自《電信科學(xué)》
