移动通信开关电源的新技术及其应用
2019-11-03 09:54:34
供稿：网友
移动通信开关电源的新技术及其应用(何洪伟)摘要本文介绍了目前移动通信网中使用的开关电源所采用的新技术和其实际应用，了解和掌握这些新技术对设备维护和工程建设均具有重要的现实意义。关键词 开关电源 新技术 应用1前言 20 kHz开关电源从 70年代在国外开始出现，到现在开关电源已在计算机、通信、家用电器等领域广泛应用。随着集成电路、功率开关器件的发展，开关电源经历了从分离元件到集成化、从较低频率到较高频率、从小容量到大容量的过程。开关电源技术也从简单发展到复杂并趋向成熟。 由于电源在通信系统中处于心脏的地位，因此通信系统对高频开关电源的各项指标要求都非常严格，尤其对功率因数、稳压精度、杂音电压及效率的要求很高。所以可以说通信系统中使用的高频开关电源代表了开关电源整体行业的水平，也代表了开关电源的最新技术。 目前江苏省移动通信设备主要使用美国LORAIN、杭州施威特克（中恒）、北京通力环、武汉517等厂家的高频开关电源产品，根据输出电压值可分为+27V和-48V两种系列。这些厂家的产品虽然在外观上差异较大，但都采用了一些相同或类似的新技术，因此产品质量和性能指标相对较好。下面结合江苏省移动通信设备使用的几种开关电源，概括介绍当今高频开关电源中采用的一些新技术以及采用这些新技术的原因及其实用意义。2使用新的功率开关器件 从90年代中期开始，功率开关器件的研制取得飞速发展，高电压、大电流、导通电阻小的功率开关器件逐步研制出来。由于属氧化物场效应管（MOSFET ）具有开关时间短（＜10ns）。激励功率小（电压激励器件）、对温度不敏感、无二次击穿、开关损耗低、脉冲拖尾电流小且易于并联使用的优点，在开关电源中已取代了传统双极型晶体管而成为新的功率开关器件。目前MVOS功率金属氧化物场效应管开关频率可达到 450 MHz，已广泛于频率较高的开关电源，但普通VMOS管在高电压大电流工作时导通电阻很大，器件发热，输出效率下降。近年研制出的IGBT绝缘栅双极型晶体管不仅具有MOSryT电压激励等所有优点，同时还具有双极大功率管正向饱和导通压降低的特性，主要用于百瓦级到千瓦级容量频率为2kkkHz左右的开关电源中。根据日常的维护和维修工作统计，江苏省使用的几种厂家的开关电源模块中均采用了IGBT绝缘栅双极型晶体管作为功率开关器件。3采用功率因数补偿电路 功率因数在电源系统中是一项非常重要的指标，功率团数(Pf)的定义为电网中突变或脉动电流产生的有功功率和负载的视在功率之比，理想情况下功率因数为1。造成功率因数小的主要原因是交流电压和电流工作在不同的相位（即交流电压和电流产生相移）或交流电压和电流的波形产生失真。在高频开关电源中主要是由于电源输入端的整流滤波电路是容性负载，使交流电压和电流产生相位偏移而使功率因数减少。另外，由于电路中其他因素的影响，也会使开关电源输入的交流电流产生一些失真。 功率因数小将对电源系统产生以下影响： (1)使电网输入交流电流增大。用I表示输入电流，i表示有功电流，通过计算得出：当Pf=1.00，I=1.00i；Pf=0.92I=1.09i； pf=0.75， I=1.45i。 因此在负载相同的情况下，功率因数越小电网输入的交流电流就越大，同时环路损耗增大，电网供电效率降低 (2)使电网中性电流增大，线路谐波干扰严重。以星形连接四线制）为例，L表示中性电流，当Pf=1.00时，Ia、Ib、Ic电流波形为正弦波，且相位相差120°,波形叠加后，In=0度。当Pf=<1.00时，In为三相电流Ia、Ib、Ic三次谐波之和。 (3)使电网交流电压失真。如果电流失真，则交流电压也会失真，电网交流电压失真将对电网中的负载造成不同程度的影响。 由以上分析可以看出功率因数对通信系统中设备高效、安全、稳定的运行有着直接影响，因此目前各厂家的高频开关电源模块中都设计有功率因数补偿电路的原理是使电路中交流电源的电压和电流同相位，并尽可能在使波形为正弦波，减小波形失真，从而使交流输入的功率团数近似为1。功率因数补偿电路又可分为有源补偿电路和无源补偿电路两种，目前各厂家广泛采用的是有源功率因数补偿电路，该电路的核心元件是美国Unitrode公司的UC3854，通过补偿可把功率因数提高到0.99以上，输入交流电流为正弦波形，使开关电源模块工作在接近纯电阻状态，同时还具有预稳压功能。4采用脉冲宽度调制（PWM）软开关技术——零电压开先转换（ZVS）电路 目前高频开关电源的功率变换单元多采用脉冲宽度调制方式，也有些厂家采用频率调制方式。脉定调制的基本原理是通过调节脉冲方波的宽度即调节方波占空比，使脉冲方波整流滤波后的直流分量发生变化，达到输出稳压的目的，而脉冲方波频率保持不变。假设开关电源整流滤波后的电压为U，L为变压器初级线圈，K1、K2、K3、K4等效为四只功率开关管。 采用通常的脉宽调制技术时，当K1、K2导通，K3、K4已截止时，L两端电压为VL；当K1、K2截止，K3、K4导通时，L两端电压为一VL。 5采用输出电流自动均流技术 由于通信系统不能间断运行的特殊性，要求电源设备工作在势备份的方式，同时由于通信设备功率大，对电源输出电流容量的要求也大，因此通信设备使用的开关电源均采用各模块并联输出的开工。这就要求各模块并联工作时输出电流要相同，对负载平均分担，并且当系统中模块增加或减少时，系统中工作的各模块能够自动重新分配输出电流，实现N+n个模块的热备份。 目前各厂家采用的自动均流技术实现方式各不相同，但原理都是对系统中的模块的输出电流进行采样比较，然后将比较差去控制各模块的输出电压的大小，以引来调节各模块的输出电流，实现各模块间的均流工作。同精度采样均流电路可使各模块间的均流误差小于正负3%，大大提高了系统的可靠性。 以上介绍了江苏省移动通信系统使用的高频开关电源中采用的一些新技术，这些电源设备中除了使用了以上介绍的的技术外，还使用了电池充电电压温度补偿、开机缓启动、远程拨号监控、故障自动检测等新技术，这些新技术的采用，使高频开关电源的各项性能指标都有较大幅度的提高，使高频开关电源越来越稳定。目前有些高频开关电源产品中还使用了频率调制、单片机控制等更新的技术，这些技术的使用将会使高频开关电源更加成熟和完善，了解、跟踪和掌握这些新技术将会对我们的日常维护工作和工程设计建设起到较大的指导作用。摘自《电信科学》
