通信電源發(fā)展綜述

2019-11-03 09:58:08

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供稿：網(wǎng)友

黃濟(jì)青黃小軍侯秀英

（北京郵電大學(xué) 北京 100876）

　　摘要本文簡(jiǎn)要介紹通信用整流器發(fā)展過程、器件發(fā)展對(duì)電路的影響、當(dāng)前電路方案、移相橋的改進(jìn)、三電平變換器、三相單管及三管功率因數(shù)校正、單級(jí)整流器等。

　　關(guān)鍵詞通信電源整流器變換器功率因數(shù)校正綜述

　　1 通信用整流器發(fā)展的幾個(gè)階段

　　我國(guó)通信用整流器的發(fā)展可追溯到20世紀(jì)50年代的充氣整流管（鎢氬管）手動(dòng)調(diào)壓的整流器，20世紀(jì)50年代末郵電部設(shè)計(jì)院和武漢通信電源廠研制和生產(chǎn)了用飽和電抗器控制的劃時(shí)代的“自動(dòng)”穩(wěn)壓穩(wěn)流硒整流器；60年代用硅二極管取代硒整流片的穩(wěn)壓穩(wěn)流"硅"整流器；60年代末70年代初開始用晶閘管（可控硅）整流和控制的穩(wěn)壓穩(wěn)流（可控）硅整流器；80年代高頻開關(guān)型整流器開始得到應(yīng)用；90年代世界電源技術(shù)的更新?lián)Q代，通信用高頻開關(guān)型整流器得到極為迅速的發(fā)展。

　　2 器件對(duì)電路和設(shè)備發(fā)展的影響

　　在我國(guó)70和80年代，可控硅整流器在通信用整流器中占有統(tǒng)治地位，長(zhǎng)達(dá)20余年。其原因之一是晶閘管是大功率半導(dǎo)體器件，縮小了設(shè)備的體積、重量，提高了效率；二是國(guó)內(nèi)掌握了晶閘管的生產(chǎn)工藝；三是國(guó)內(nèi)自關(guān)斷器件大功率晶體管的耐壓不夠高、電流不夠大，開關(guān)速度不快，研制生產(chǎn)數(shù)百瓦以上的高頻變換器非常困難，需要超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)工藝的場(chǎng)效應(yīng)功率管（MOSFET）和雙極型晶體管（IGBT）。80年代后期和90年代初期國(guó)外產(chǎn)品進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，大功率開關(guān)電源的研制生產(chǎn)有了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。

　　MOSFET與IGBT在向高電壓、大電流、低通態(tài)電阻或壓降、快速（低柵荷）、開關(guān)管內(nèi)反向并聯(lián)快速二極管或肖特基（Schottky）二極管等多方向發(fā)展，例如：MOSFET單管有1200V、32A、0.35Ω的，IGBT單管有1700V、72A、3.3V的，還有高達(dá)2500V的，可用于三相380V直接輸入的電路，提供了電路發(fā)展的機(jī)會(huì)，可研制出三相有一個(gè)開關(guān)管操作的整流器。又如600V、40A的快速IGBT通態(tài)壓降2V，關(guān)斷延時(shí)時(shí)間200ns，電流下降時(shí)間200ns；相應(yīng)的500V、44A快速M(fèi)OSFET通態(tài)電阻0.12Ω，關(guān)斷延時(shí)時(shí)間53ns，電流下降時(shí)間8ns。可見快速M(fèi)OSFET比快速IGBT的關(guān)斷速度仍然快許多倍，可減小電路的關(guān)斷損耗。將低壓的MOSFET與低壓的（正向壓降小的）肖特基二極管封裝在一起，可提高低壓電路的效率1.5～4％。低壓的MOSFET具有極小的通態(tài)電阻，例如：20V、61A的MOSFET通態(tài)電阻RDS（on）=0.013Ω，更適合于作為“同步”器件，更適合于3.3V、1.8V的CPU供電，使低壓開關(guān)電源的效率常可達(dá)90％。低電荷的MOSFET的Miller電容減少85％，柵極電荷下降40％，開關(guān)損耗減小一半，工作頻率可達(dá)1MHz。

　　軟恢復(fù)的大電流超快恢復(fù)二極管，可減小恢復(fù)過程中發(fā)出的噪音干擾。硅肖特基二極管有很小的反向恢復(fù)時(shí)間（約10ns），低的正向壓降和低的反向耐壓，現(xiàn)在已有耐壓高到200V的產(chǎn)品，若用于有預(yù)調(diào)級(jí)的48V通信用整流器的輸出整流，可提高效率。

　　變換器用的各種新型集成電路控制芯片，如多種PWM的電流型控制芯片、移相橋式變換器的控制芯片、功率因數(shù)校正控制芯片等都從國(guó)外進(jìn)口。

　　我國(guó)高頻鐵氧體磁芯的性能有很大提高。扁型鐵氧體磁性與印刷繞組減小變壓器的高度與體積。非晶態(tài)磁芯、超微晶和納米晶磁芯的飽和磁通密度大，體積小，已可以在150kHz以下與鐵氧體競(jìng)爭(zhēng)。納米晶磁芯的高頻損耗更小，有利于制作高頻飽和電感。電解電容器的體積在小型化。大電流高頻無極性電容器，需要小的引線電阻和小的寄生電感，每引出端需數(shù)十個(gè)焊點(diǎn)的工藝也可生產(chǎn)。數(shù)百根芯線的高頻Litz電纜減小繞組的高頻集膚效應(yīng)損耗，焊接容易。鋁板與印刷電路板的復(fù)合板使散熱與電路緊密結(jié)合，改善散熱、縮短引線、減小干擾、減小體積。

3. 減小功率晶體管開關(guān)損失

　　（1）回能吸收電路［1］：是將緩沖（snubber）電容上的儲(chǔ)能返回電源或負(fù)載，或稱為無損吸收電路。

　　（2）有源箝位：是將電容器上的儲(chǔ)能，由功率晶體管操作，在所需時(shí)間加以利用。

　　（3）MOSFET與IGBT并聯(lián)運(yùn)行［2］：利用了IGBT通態(tài)壓降小、MOSFET關(guān)斷速度快的優(yōu)點(diǎn)組合成一個(gè)性能優(yōu)良的等效開關(guān)器件，此方法可應(yīng)用于各種電路。IGBT工作在軟關(guān)斷狀態(tài)，但電路屬硬開關(guān)性質(zhì)，可用回能吸收電路減小MOSFET的關(guān)斷損耗。由于其輔助電路簡(jiǎn)單，只要驅(qū)動(dòng)脈沖配合好，不論在滿載或空載，兩管的工作都能自動(dòng)適配，負(fù)載電流小時(shí)兩管電流同時(shí)減小。MOSFET中沒有過大的峰值電流，可靠性高。沒有像零電壓開通ZVS和零電流轉(zhuǎn)移ZCT諧振電路所有的幾乎是固定的對(duì)應(yīng)于近于兩倍額定負(fù)載分量的峰值電流。

　　（4）零電壓開通（ZVS）和零電壓轉(zhuǎn)換（ZVT）：主開關(guān)管并聯(lián)一吸收電容，減小關(guān)斷損耗，相當(dāng)于回能吸收電路；零電壓開通（ZVS）工作過程是先將電容電壓放電到零，再開通主開關(guān)管。零電壓轉(zhuǎn)換（ZVT）是指在主開關(guān)管兩端并聯(lián)一諧振電感與輔助開關(guān)管串聯(lián)通路，來實(shí)現(xiàn)零電壓開通的電路。

　　（5）零電流關(guān)斷（ZCS）和零電流轉(zhuǎn)換（ZCT）：是指先將主開關(guān)管的電流減小到零，再關(guān)斷主開關(guān)管。零電流轉(zhuǎn)換（ZCT）是指在主開關(guān)管兩端并聯(lián)一諧振電容、諧振電感與輔助開關(guān)管串聯(lián)通路，來實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷的電路。

數(shù)年來學(xué)術(shù)界、科技界對(duì)（4）、（5）兩項(xiàng)內(nèi)容，對(duì)多種電路作了大量研究。

4. 通信用開關(guān)整流電源的主要方案

　　大功率通信用整流器中的直流(DC/DC)變換器部分以脈寬調(diào)制（PWM）、移相橋?yàn)槎唷?br>
　　（1）雙管正激和雙正激變換器：后者常由兩個(gè)雙管正激組成，由于雙管正激不會(huì)出現(xiàn)共態(tài)導(dǎo)通、不會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的直流磁化、易從空載到滿載運(yùn)行，技術(shù)問題少，可靠性良好等優(yōu)點(diǎn)；最早受到重視。但雙正激要多用二極管，變壓器、電感等器件。但雙正激變換器在功率不大時(shí)也可加以簡(jiǎn)化［3］。

　　（2）半橋變換器：電路與典型的雙正激相比器件較少，也可以用兩個(gè)半橋電路在輸入側(cè)串聯(lián)，承受高輸入電壓，合用一個(gè)有兩個(gè)初級(jí)繞組的變壓器，組成復(fù)合半橋變換器，用于大功率。現(xiàn)在由于開關(guān)管的關(guān)斷速度快了，共態(tài)導(dǎo)通問題容易解決。采用電流控制型芯片控制時(shí)的上下兩管出現(xiàn)的不對(duì)稱，也能妥善解決，可靠性能夠保證，應(yīng)用日見普遍。

　　以上方案采用PWM控制，容易實(shí)現(xiàn)負(fù)載在寬范圍（例如含輕載和空載）內(nèi)變化條件下可靠運(yùn)行。

　（3）移相全橋變換器：用移相控制來實(shí)現(xiàn)PWM原理調(diào)節(jié)輸出電壓，在不增加功率晶體管情況下就可實(shí)現(xiàn)零電壓開通（ZVS），具有相當(dāng)高的效率。但基本電路在輕載和空載時(shí)，零電壓轉(zhuǎn)換有困難，可靠性降低。幸而大系統(tǒng)的通信電源負(fù)載電流變動(dòng)較小，且多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行，可調(diào)整運(yùn)行臺(tái)數(shù)，避免輕載運(yùn)行。 5．當(dāng)前DC/DC變換器方案研究簡(jiǎn)介

5.1 移相全橋變換器電路的改進(jìn)

　為使移相全橋變換器能用于輕載或空載，多種改進(jìn)方案如下：

　　(1)變壓器初級(jí)串聯(lián)飽和電感，使小電流下的儲(chǔ)能相對(duì)增大，但對(duì)電感磁芯材料要求很高，容易過熱。　　(2)變壓器次級(jí)整流二極管串聯(lián)飽和電感，防止變壓器在換流期次級(jí)短路，可利用濾波電感及變壓器激磁電流儲(chǔ)能，ZVS最小負(fù)載電流可小到1/8額定電流。磁芯材料及發(fā)熱較易解決。

　　(3)滯后半橋中點(diǎn)加電感La，連到直流分壓電容中點(diǎn)，見圖1，電感電流峰值與輸出電流無關(guān)，能確保滯后半橋ZVS。類似電路有多種：如電容和二極管并聯(lián)的。

　　(4)零電壓零電流開關(guān)（ZVZCS）：即導(dǎo)前半橋?yàn)閆VS，滯后半橋?yàn)閆CS。方案有多種：圖2為變壓器次級(jí)有源箝位ZVZCS移相全橋電路［4］，VT5在VT3或VT4關(guān)斷之前導(dǎo)通，引出箝位電容電壓將變壓器電流減小，實(shí)現(xiàn)近似的ZCS。

　　另一個(gè)不增加開關(guān)管的方案是：取用較小的耦合電容Cb，電容電壓能在導(dǎo)前相關(guān)斷后，使變壓器電流迅速減小。滯后相采用反向阻斷型的IGBT（無反并聯(lián)二極管VD3、VD4），可避免電容反向振蕩，現(xiàn)在有內(nèi)串正向二極管提高反向耐壓的IGBT可供選用。

5.2 三電平DC/DC變換器的研究

　　三電平（TL）是指輸出波形有正、零、負(fù)三種電平。其每管耐壓僅為輸入電壓的1/2。有兩種形式：　　(1)形似半橋變換器擴(kuò)展而成的三電平變換器［5］［6］，見圖3，由四開關(guān)管串聯(lián)組成，并用二極管將每管耐壓限幅在輸入電壓Uin的1/2。工作原理與移相橋有很多相似之處，如VT1、VT4 為導(dǎo)前相，VT2、VT3為滯后相，由移相控制實(shí)現(xiàn)PWM，變壓器初級(jí)峰值為Uin/2。次級(jí)采用倍流整流［7］（CDR）電路時(shí)，變壓器的結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，繞組的利用系數(shù)最高。

　　(2)由移相全橋變形而來［8］：將導(dǎo)前半橋(完整半橋)與滯后半橋串聯(lián)由輸入電壓Uin供電，就成為該方案的三電平變換器。當(dāng)然，變壓器初級(jí)的隔直電容不可沒有，其耐壓為Uin/2。

6. 功率因數(shù)校正的發(fā)展

6.1 單相輸入的功率因數(shù)校正

　　常用的電路由升壓變換器組成，基本電路為硬開關(guān)PFC電路。可與各種吸收電路相配合，采用各種減小主開關(guān)管VT1開關(guān)損失的措施。

　　例如：軟開關(guān)的零電壓開通（ZVS）PFC電路，見圖4（但沒有C1及VD2）。主開關(guān)管VT1的并聯(lián)電容C1為吸收電容，在主開關(guān)管開通前必須先將輔助開關(guān)管VT2開通，經(jīng)L1將C1上的電壓諧振放電到零，使VT1在零電壓下開通，減小開通損耗，提高效率。此電路的輔助開關(guān)管VT2是在大電流下硬關(guān)斷的，尚有較明顯發(fā)熱.

　　改進(jìn)的方案［9］［10］有輔助管加回能吸收電路，見圖中C1、VD2。VT2截止時(shí)，L1的電流對(duì)C1充電，電壓緩升，起緩沖電容的作用，當(dāng)VT1關(guān)斷時(shí)，如同自舉電路，將C1的電位舉起，對(duì)輸出側(cè)放電回能。

6.2 三相輸入的功率因數(shù)校正

　　目前常采用簡(jiǎn)單的無源功率因數(shù)校正，例如在三相整流橋的輸入側(cè)或輸出側(cè)串入小電感，使電流的峰值小些，功率因數(shù)可達(dá)0.92～0.93。但目前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC1000-3-4的要求較高［11］，研究的方案較多。

6.2.1 三相單管功率因數(shù)校正方案［12］

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　僅用一個(gè)主開關(guān)管，電路簡(jiǎn)單，功率因數(shù)可達(dá)0.955。主電路見圖5，是三相升壓型變換電路，主開關(guān)管VT1基本上工作于等脈寬的PWM狀態(tài)，經(jīng)三相整流橋使三相高頻儲(chǔ)能電感L1、L2、L3同時(shí)儲(chǔ)能或放能升壓，輸出直流電壓750V～800V。電感量小，工作在電流不連續(xù)（DCM）狀態(tài)，使高頻開關(guān)周期內(nèi)電流的峰值正比于相電壓的瞬時(shí)值，使諧波電流較小，功率因數(shù)提高。但儲(chǔ)能釋放過程中電流并不正比于輸入電壓，三相電流波形仍有畸變。

采用零電流關(guān)斷（ZCT）能最大限度地減小IGBT的關(guān)斷損耗。改進(jìn)型零電流關(guān)斷電路見圖5中輔助開關(guān)管VT2接到輸出電壓Uo，在主開關(guān)管關(guān)斷之前輔開關(guān)管VT2導(dǎo)通，使UO經(jīng)Lr、VT1、VD8對(duì) Cr諧振反向充電，在放電過程中，將主開關(guān)VT1的電流減小到零，實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷。

6.2.2 三相三開關(guān)PFC改進(jìn)方案［13］

　　　　(1) 每相的儲(chǔ)能電感有各自的交流開關(guān)來操作，組成升壓倍壓整流器，每相工作狀態(tài)如同單相升壓型PFC，電感電流連續(xù)，理論功率因數(shù)為1。

(2) 應(yīng)用了三電平技術(shù)，開關(guān)管與二極管的耐壓與單相PFC電路的相同。

(3) 控制電路與三個(gè)單相升壓型PFC電路的大體相同。

圖6　　三相三開關(guān)PFC改進(jìn)方案

6.3 單級(jí)高功率因數(shù)整流器

　　　　將PFC與DC/DC兩級(jí)合成一級(jí)的整流器方案，要求輸入高功率因數(shù)、輸入與輸出相隔離（Off-Line）、輸出低紋波。單級(jí)整流器可減少器件和功率損耗。

6.3.1電流源變換器組成的三相Off－Line PFC［14］

　　圖7的初級(jí)電路中同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電感Lf儲(chǔ)能；當(dāng)VT1或VT2單管導(dǎo)通時(shí)，Lf放能升壓。兩管輪流導(dǎo)通如同推挽變換器，但運(yùn)行期間，兩管不允許都截止。控制電路相應(yīng)復(fù)雜。

6.3.2 反激式變換器組成的隔離型三相PFC［15］

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖8 輸入高功率因數(shù)，輸出雜音可以解決，控制電路最簡(jiǎn)單，如同單端DC/DC變換器，輸入側(cè)必須有很好的抗干擾濾波器。適用于較小功率。