直流开关电源的新技术应用与发展

摘要：随着电子技术和通信业的快速发展，高频开关电源的应用越来越广，开关频率的持续提高使开关电源的性能也得以进一步优化，集成度更高，功耗更低，电路更加简单，工作更加可靠，是开关电源发展的方向。目前，高频开关电源在我省广播电视各微波站得到了广泛的应用，基于此结合实际将传统电源与现代高频开关电源对比来介绍高频开关电源的新技术及其优点。
关键词：高频；谐振；开关；逆变

1 高频开关电源组成原理
    高频开关整流器一般是先将交流电直接经二极管整流、滤波成直流电，再经过开关电源变换成高频交流电，通过高频变压器变压隔离后，由快速恢复二极管高频整流、电感电容滤波后输出，见图1。

1．1 主电路
    从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：
    (1)输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。
    (2)整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，并向功率因数校正电路提供稳定的直流电源。
    (3)功率因数校正：位于整流滤波和逆变之间，为了消除由整流电路引起的谐波电流污染电网和减小无功损耗来提升功率因数。
    (4)逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。
    (5)输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。
1．2 控制电路
    一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。
1．3 检测电路
    除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表数据供值班人员观察、记录。
1．4 辅助电源
    提供开关整流器本身所有电路工作所需的各种不同要求的电源(交直流各种等级的电压电源)。

2 典型应用
    广州基仕域(POWEC)智能型高频开关电源介绍。
2．1 QPS11／10系统的工作原理
    该系统的工作原理是整流模块把交流输入变成直流输出，然后送到由汇流排并联的直流配电模块和电池熔丝模块，经配电模块内部分路开关或熔丝输出，向负载供电，同时亦对电池充电。当市电中断时，由电池向负载供电。控制模块通过RS485与告警模块及整流模块通讯。而数据测量、采集则由告警模块负责，其对象包括市电、直流配电模块、电池熔丝模块和电池等。系统工作时，控制模块监视系统的各种状态，调整其参数，自动执行预定的各项任务。系统异常时发出告警信号，经由告警模块输出并显示在控制模块上。其系统原理见图2：

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2．2 组成系统各模块介绍
2．2．1 整流模块
    POWEC整流模块是采用调频谐振技术，具备功率因数补偿的插入式模块化、智能化整流器，简称PMP(Powec Modular Power)。
    PMP11．48SIC是一种具有功率因数补偿的插入式模块化整流器，它采用高频谐振开关技术，特别适用于电信领域。输入：205～250 V交流电±10％，输出：48 V直流，1100 W；具有输入电压范围宽，功率因数补偿，动态负载均分，可以热插拔，无须风扇散热，重量轻(3．1 kg)等优点。
2．2．2 控制模块
    控制模块用于监控电源系统运行，所有信息均有清楚文字表述，引导式菜单和窗口操作，带RS232接口，简称PCU(Powec Control Unit)
    PCU 10．24-48D是基于微处理器的控制单元，可以对PMP10．00 SIC整流器和PMP11．48SIC整流器组成的电源系统进行全面监控。输入：18～72 V直流。具有：可提供清晰的文本信息、引导式操作、具备电池放电测试功能、带有RS232测试功能、附加的告警接点可用于连接外部告警装置、全面各项参数设置等优点。
    PCU10．24-48D是基于微处理器的告警和控制单元，可监控位于三个子机架上的最多17个：PMP10．00SIC或PMP11．48SIC模块。这种插入式模块可监控系统的市电输入、输出电压、电流和PMP模块的工作状态，同时可监视一些外部状况如配电熔丝、负载或电池的脱离继电器和电池容量测试、电池对称电压、温度等。控制菜单简单并提供操作引导，通过前面板上的按钮对系统进行操作。告警接口板(0398)上附加的告警接点可用于连接外部告警装置。
    告警：直流高压告警，直流低压告警，负载／电池脱离告警，直流熔丝故障、模块故障、市电故障、电池故障、对称告警，高温告警，过载告警。
    所有告警都由LED指示并在显示屏上显示告警内容，内有4个自由公共接点向外提供告警信号。另有两路集电极开路输出用于实现低压脱离功能。
    显示：2*16字符型液晶显示屏用于显示输出数据、告警、信息等。
    通讯：通过个人微机上的PowCom或PAS软件和RS232串行接口对系统进行远程监控。
2．2．3 子机架
    子机架是用来安装整流模块的，也可以混装控制模块，小系统中也可以内置直流配电单元电池熔丝等，依系统的构成达到最节省体积，简称PPR(Powec Pack Rack)。
    PPR10．24-48D子机架用于装一个PCU10．24-48D和最多五个PMP10．10SIC或PMP11．48SIC模块，带一块0384板。PPR10．24-48D子机架只用于装最多六个PMP10．10SIC或PMP11．48SIC模块，AC输入接头，DC输出接头，并有扁平电缆连接至附在机架上的告警信号板。子机架电路板上的电位器可以调节整流模块的输出电压，出厂时已预设好(48 V系统为53．5 V，24 V系统为26．7 V)。所以即使控制模块发生故障，也不会影响系统的输出电压。更换整流模块时，模块会自动把它的输出电压调整到相应的模块位置的预设值，模块单独插入和拔出，不会干扰整个系统的工作。
    子机架可以通其电路板上的路线设置整流模块地址，多个子机架可以并联输出。系统适应性非常强，可方便配置成冗余方式和N+1方式的系统。
2．2．4 配电模块
    (1)交流配电模块根据用户的需求进行配置，单相或三相交流输入，输出采用磁脱扣空气开关(MCB)，路数及容量由用户自定，简称PJU。
    (2)直流配电模块分为PDU(Powec Distribution Unit)和PBDU(Powec Battery and Distribution Unit)两种，其中PBDU包含电池熔丝。一个直流配电模块最多能有24路输出。输出采用脱扣空气开关(MCB)或熔丝，输出路数和容量大小是根据用户需求进行配置并提供灵活的上出或下出线的配线方式。每个输出MCB或熔丝通过一个测量其两端压降的电路来监视。如果MCB或熔丝没有连上负载，即使处于断开状态，也不会产生告警
    (3)电池熔丝模块 简称PBF(Powec Battery Fuse Unit)，具有两路电池保护，每路熔丝均可监测。根据电池的状态不同；电池熔丝故障会在熔丝断开2～10分钟后被检测出来。如果熔丝没有连接电池，尽管处于断开也不会产生告警。通过熔丝起拔器很容易拔出或推入熔丝，走线方式和熔丝容量根据用户需求进行配置。
    所有配电都采用模块式架构，配置非常灵活，容易满足用户的实际需要。输出电缆的连接视系统的正负不同而不同，如果系统为正，则输出正极连至MCB或熔丝，负极连至公共汇流排(直流工作地)。系统为负时，则输出负极连至MCB或熔丝，正极连至公共汇流排。
2．2．5 机架
    机架是用来装含有整流模块的子机架和配电模块的，简称PPC(Powec Power Supply Cabinet)，备有多种型号的挂墙式和落地式机架，能根据用户系统的容量、机房的环境选配适当的机架，以达到最佳的设计方案。

3 开关电源的发展趋
    在功率电子技术的应用及基本电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。传统的相控型电源非常庞大而笨重，如果采用高频开关电源技术，其体积和重量都会大幅度下降，而且可较大地提高电能利用率、节省材料、降低成本。在电动汽车和交流传动中，更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率，从而达到近乎理想的负载匹配和驱动控制。

4 结束语
    高频开关电源是一种模块化设计的可靠性和智能化程度高的电源，其体积小，功耗低，效率高，噪音低，稳压精度高，安全可靠，使用维护方便，目前已在各微波站得到广泛应用。