智能高頻開關電源第三章

1、第三章 通信用智能開關電源的整流模塊,3.1 概述3.1.1 智能開關電源的整流模塊一. 整流模塊的基本原理（AC/DC變換器）,二. 整流模塊的電氣和機械結構設計考慮：,1. 外形尺寸滿足GB3047.1；2. 遵循EMC（電磁兼容性）的要求；3. 顯示、指示、調節(jié)、轉換等觀察和操作的部分設計在前面板上；交流輸入插件、直流輸出插件及各插口接口設計在后面板上；4. 冷卻方式有：風冷、自然冷卻；5. 熱插拔設計。,3.1.2

2、整流模塊逆變開關電路的選擇,一. 單端正激式變換電路1. 電路簡單，開關器件少，設計容易，成本較低，工作可靠，應用非常廣泛，是整流模塊逆變開關電路的優(yōu)選方案之一2. 常用于百瓦～數千瓦的變換器；3. 對于較大功率的整流模塊，采用雙單端正激式變換電路并聯輸出，使得功率增大1倍，輸出頻率增加1倍，紋波及動態(tài)響應得到改善。,二. 單端反激式變換電路,1. 對多路輸出的負載有較好的平衡能力，適用于多路輸出的DC/DC變換；2. 一般用于

3、小功率輸出場合3. 變壓器的利用率低,三. 推挽式功率變換電路,1. 雙端變換器，變壓器雙端工作，體積小；2. 兩個開關管輪流導通，輸出脈沖頻率提高1倍，脈沖電壓小，濾波容易，輸出電壓易高；3. VT1、VT2的發(fā)射極共地，所以無需隔離基極驅動電路，驅動電路簡化；4. 功率輸出較大；5. VT1、VT2的耐壓值應＞2Vin；6. 該電路現在已經很少應用。,四. 全橋式功率變換電路,1. VT的耐壓值只要＞Vin即可；2.

4、使用VD1～VD4，提高了電源效率，變壓器利用率高；3. 輸出功率比雙正激高一倍；4. 4個VT，四組驅動電路需要隔離，設計較復雜5. 主要應用于大功率變換電路中6. 目前，國內市場上，絕大多數的48V/50A、 48V/100A、 24V/100A的整流模塊的逆變電路都選用全橋式！,五. 半橋式功率變換電路,1. 開關管耐壓值＞Vin即可，適用于較高的直流輸入電壓；2. 具有自動抗電路不平衡能力；3. 輸出功率不太大，在幾

5、KW以下，只適合設計48V/50A（ 24V/100A）以下功率等級的整流模塊；4. 變形的半橋式功率變換電路：在高電壓輸入和大功率輸出的場合，得到了廣泛的應用。,3.1.3 整流模塊功率變換方式的選擇,一. 負載諧振變換技術（RLC諧振技術）1. 串聯負載諧振（SLR) 并聯負載諧振（PLR）利用RLC諧振技術，即利用負載電阻和諧振電感電容 組成的RLC電路，在諧振過程中進行功率變換。優(yōu)點：開關損耗小，工作頻率高，EM

6、I小,缺點：（1）開關的電流電壓定額較高，增加了成本（2）必須采用PFM變頻工作方式，給輸出濾波帶來了困難。多用于半橋式和全橋式逆變電路。,二. 硬開關定頻變換技術,固定工作頻率，調節(jié)開關管導通的占空比， 即：采用脈沖寬度（PWM）方式來調節(jié)或穩(wěn)定輸出。1. 優(yōu)點：對開關器件的要求低，控制電路簡單； 幾乎可用于所有的逆變主電路拓撲形式2. 缺點：開關損耗大，高頻工作的效率低；

7、 EMI（電磁干擾）較嚴重。,3. 硬開關PWM變換方式一般應用于以下幾種情況：逆變頻率不太高的場合；不要求體積和重量太小的逆變器開關電路；效率要求不太高的逆變器和開關電源；成本不宜太高的功率變換裝置。,三. 諧振開關變換技術,零電流諧振開關（ZCS） 開關管在零電流時關斷。 零電壓諧振開關（ZVS） 開關管在零電壓時關斷。ZCS：利用

8、LC諧振技術使開關管在開通時間內諧振，流過它的電流為正弦半波，在開通和關斷過程中電流為0，實現零電流開關。電流、電壓有一個為0，損耗小,,諧振用電感Lr和開關S串聯，流經開關的電流為正弦波的一部分。開關導通時，電流從0以正弦波形狀上升，上升到峰值后，又以正弦波形狀減小到0，電流變?yōu)?之后，開關斷開。,ZCS原理：,開關再次導通時，重復以上過程。開關在零電流時通斷，這樣動作的開關叫做零電流開關,簡稱為ZCS。,在零電流開關中，開關通斷時

9、與電壓重疊的電流非常小，從而可以降低開關損耗。采用電流諧振開關時，寄生電感可作為諧振電路元件的一部分，這樣可以降低開關斷開時產生的浪涌電壓。,2. 優(yōu)點： 開通或關斷損耗??； 提高了工作頻率、效率、功率密度； 降低了體積、重量。3. 缺點： 開關管的電壓電流定額較高，成本提高 采用PFM變頻工作方式，比PWM方式復雜，濾波困難。,四. 雙零轉換變換技術,1. 零電壓轉換（ZVT ） 零電流轉換（ZCT）

10、采用輔助開關管配合LC參數的部分諧振使得開關管實現零電壓開通或零電流關斷。,2. 特點： 電路在很寬的輸入電壓范圍內和從零負載到滿載都能工作在軟開關狀態(tài)； 電路中無功功率的交換被削減到最小，這使得電路效率有了進一步提高。,3. 雙零轉換開關的基本電路形式： (1)零電流轉換PWM電路（Zero-Current Transition PWM Converter—ZCT PWM）,ZCT－PWM電路的基本開關單

11、元,(2)零電壓轉換PWM電路（Zero-Voltage-Transition PWM Converter—ZVT PWM）,ZVT－PWM電路的基本開關單元,4. ZCT（ZVT）－PWM 變換基本電路形式,BUCK 降壓BOOST 升壓BUCK-BOOST 升降壓CUK 升降壓,a）基本開關單元 b）降壓斬波器中的基本開關單元

12、c）升壓斬波器中的基本開關單元 d）升降壓斬波器中的基本開關單元,,零電壓轉換PWM電路,5. 以零電壓轉換PWM電路為例： 具有電路簡單、效率高等優(yōu)點。,,升壓型ZVT－PWM電路的原理圖,輔助開關S1超前于主開關S開通，S開通后S1關斷。 t0~t1時段：，S1導通，VD尚處于通態(tài)，電感Lr兩端電壓為Uo，電流iLr線性增長， VD中的電流以同樣的速率下降。t1時刻，iLr=IL，VD中電流下降到零，關斷

13、。t1~t2時段：Lr與Cr構成諧振回路，Lr的電流增加而Cr的電壓下降，t2時刻uCr=0， VDS導通，uCr被箝位于零，而電流iLr保持不變。,,升壓型零電壓轉換PWM電路在t1~t2時段的等效電路,ZVT－PWM電路工作過程：,t2~t3時段：uCr被箝位于零，而電流iLr保持不變，這種狀態(tài)一直保持到t3時刻S開通、S1關斷。 t3~t4時段：t3時刻S開通時，為零電壓開通。S開通的同時S1關斷，Lr中的能量通過VD1向

14、負載側輸送，其電流線性下降，主開關S中的電流線性上升。t4時刻iLr=0，VD1關斷，主開關S中的電流iS=IL，電路進入正常導通狀態(tài)。 t4~t5時段：t5時刻S關斷。Cr限制了S電壓的上升率，降低了S的關斷損耗。,,升壓型零電壓轉換PWM電路的理想化波形,6. 總結：,雙零轉換開關，是真正的PWM控制方式；具有軟開關的開關損耗小、EMI小、頻率高、效率高、節(jié)能的優(yōu)點；又具有PWM變換的定頻、容易濾波、開關電壓電流容量定額小

15、的優(yōu)點。是諧振技術和PWM技術完美的結合。是現代功率變換技術的發(fā)展方向之一。,3.2 DMA10智能開關整流模塊,3.2.1 概述 DMA10型PWM高頻開關整流模塊由武漢洲際通信電源集團有限責任公司（原郵電部武漢通信電源廠）生產； DMA10型整流模塊是構成DUM14大功率智能高頻開關電源系統(tǒng)和DUM23智能高頻開關組合電源系統(tǒng)的整流單元； 系統(tǒng)可以按實際需要確定整流模塊的數量，使其容量可從1

16、00A至l0000A靈活選擇；,（1）DMA10型開關整流模塊有48V和24V兩種規(guī)格，型號為：DMA10－48/100和DMA10－24/100；最大輸出容量為5600W、2800W；（2）DMA10既可以獨立工作，也可以多臺并聯，統(tǒng)一接受DK04型監(jiān)控模塊控制，通過監(jiān)控模塊，可獲得良好的工作性能（例如，強迫均流，精確的電池電壓調整，電池充電電流限制，電池自動均衡和電池溫度補償等）；（3） DMA10采用插拔式結構，自然風冷，體積

17、小，重量輕，噪聲小，安裝維護方便；,（4）采用MOSFET和IGBT組合開關及系統(tǒng)PWM均流技術，和橋式電路的平衡調節(jié)；（5）模塊內包含帶16位單片微處理器的前顯示板，具有控制、監(jiān)視、顯示功能；（6）由于微處理器保證了整流模塊與監(jiān)控模塊之間的數字通信，同時又通過監(jiān)控模塊與外界建立了通信，因而可以從遠端監(jiān)控站或通過調制解調器從更遠的地方監(jiān)視整流模塊的工作參數。也可更改參數。,二. DMA10的其他優(yōu)點：,1.真三相（無中性線）輸入方式

18、，無中線電流2.輸入電壓范圍寬（304～456V）3.高功率因數（0.93），高效率（0.91）4.起動電流?。ㄐ∮?A）5.穩(wěn)壓精度高，輸出噪聲小6.動態(tài)響應特性好7.具有過壓、過流、限流、過溫等保護8.智能化程度高9.抗浪涌能力強10.高穩(wěn)定性，高可靠性,三. DMA10的技術指標：,3.2.2 DMA的基本原理及構成框圖,一.功能框圖：,二. 主要構成：,DMA10－48/100型整流模塊面板布局圖：,交流輸入

19、電源通過輸入插頭和交流輸入開關送至功率母板PMB，由一個主要用于檢測交流輸入電源是否存在的電路來提供一個狀態(tài)信號，以指示交流輸入開關是合上還是斷開。三相交流輸入電源直接送至功率母板PMB上的輔助電源變壓器，以及功率控制板PCC上的交流電壓檢測電路。,功率母板PMB包括了大多數功率器件和交流變直流、直流變直流的連接電路。其中，有門驅動電路和隔離脈沖變壓器。半橋式直流一直流變換器電路的直流電壓輸出通過一個共模線圈連接到功率輸出板PDB，然

20、后送到機殼后部的輸出接頭。電路直流電壓輸出的負端通過輸出斷路器連接到輸出的負端。,功率控制板PCC包括交流電壓和直流電壓檢測電路，提供功率開關門極信號的初級功率開關控制電路，還包括次級電壓、電流限制的控制回路和相應的電壓、電流反饋信號電路。,三. 主要電路分析,1. 輸入電路2. 半橋功率變換電路3. VS1、VS2開關器件由MOSFET和IGBT組成4. 輸出電路5. PWM控制電路,1. 輸入電路：,2. 半橋功率變換電路,

21、3. VS1、VS2開關器件由MOSFET和IGBT組成,4. 輸出電路,高頻變壓器次級繞組Ns上的電壓經V3、V4整流后產生直流脈沖電壓，該電壓經過電感L0、電容C0濾波輸出穩(wěn)定的直流電壓V0,5.PWM控制電路,四. DMA10的工作流程：,1. 將Vout、Iout 進行A/D轉換。產生數字信號，送給LCD顯示，同時判斷Vout×Iout 是否大于設定的最大輸出功率，限制輸出功率；2. 設置和修改模塊參數；3. 將設

22、定的Vout、Iout 通過軟件變成PWM輸出，通過相應的積分電路，產生電壓電流的參考值；4. 報警信號處理、顯示， 關機故障時，功率變換電路停止工作；5. 與系統(tǒng)監(jiān)控模塊進行數據交換；6. 軟件流程。,五. 均流的實現：,優(yōu)點：抗干擾能力強，而且每個模塊通過光耦合器進行隔離；這樣模塊之間沒有相互影響；這種均流方式可控制數量較多的模塊。,六. 顯示和參數調制,1. 顯示DMA10前面顯示板上的字母數字液晶顯

23、示器是一個單行16字符顯示器，與其配合使用的有4個按鍵，“增加”“減小”“確認”和“菜單”。在正常工作情況，無任何告警的情況下，顯示器顯示輸出電流、輸出電壓和表示浮充工作狀態(tài)的代碼“FL”或表示均衡工作狀態(tài)的代碼“EQ”如：,103．5A 55.1FL,（1）輸出電壓的顯示 字母數字顯示器顯示的輸出電壓范圍是0～70V，精度優(yōu)于±0.5%，分辯率為0.1V，當按下“菜單”鍵時，則不顯示輸出

24、電壓。（2）輸出電流顯示 字母數字顯示器上顯示的輸出電流范圍是0～199A，精度優(yōu)±0.5%，分辯率為0.1A，除非有告警狀態(tài)發(fā)生，輸出電流的顯示占據顯示器的前5個字符。當出現告警狀態(tài)時，將以最按近的整安培數顯示輸出電流的大小。（3）其他顯示 當出現告警狀態(tài)時，顯示器下邊的“告警”指示燈（黃色發(fā)光管）閃爍，顯示器的顯示格式發(fā)生變化。在下面的例子中，輸出電流以最接近的整數值顯示，然后是輸出電壓，告警或狀態(tài)

25、信息以兩個字字母的形式在最后顯示。一次最多可同時顯示3條告警或狀態(tài)信息。,DMA10 報警信號代碼及原因：,2. 更改參數：（1）浮充工作方式 （2）浮充工作電壓 （3）均衡工作電壓（4）電壓微調值+/-nnn（5）輸出限流值（6）輸出過壓報警點（7）輸出欠壓報警點（8）輸出電壓過高關斷閾值電壓,（9）輸出電壓過高關斷復位（10）測試（11）整流模塊的地址 #ZZZ（12）密碼功能 （13）微處理器報警,3.3

26、 DMA12智能開關整流模塊,一. 概述 DMA12一48/50型高頻開關整流模塊，由武漢洲際通信電源集團有限責任公司(郵電部武漢通信電源廠)生產，在承襲DMAlo一48/100型整流模塊設計中MOSFET和IGBT并聯混合開關等技術的基礎上采用了一些最新高頻開關電源技術，并結合用戶對小容量開關電源的要求設計而成。 該模塊具有以下特點: 1. 單相加地線交流輸入，交流輸入電壓范圍為150v至275v。若交流輸入超

27、出工作范圍，模塊自動關機保護，可滿足邊遠地區(qū)或電力供應不正常地區(qū)的要求;,2. 模塊采用自然冷卻方式，省去維護人員經常清洗風扇濾網的負擔，可在需要一長期無人值守的地方使用。同時，其可聞噪聲低，可安裝于機房、辦公室等工作環(huán)境;3. 采用功率因數有源校正，其功率因數接近于1，有效地克服了交流電流波形的畸變。 DMA12一48/50型整流模塊效率高、體積小、重量輕，可獨立工作，也可多臺并聯接受DK04A型監(jiān)控模塊的控制構成開關電源系

28、統(tǒng)。它可構成的電源系統(tǒng)的容量從50A到50000A，目前所構成的典型系統(tǒng)為DUM23ll一48/300型智能組合電源統(tǒng)。,二. 功能框圖,三.構成框圖,DMA12型整流模塊主要由六塊印制板組裝而成。這六塊印制板是:交流輸入濾波板CIB、交流母板ACMB、直流母板DCMB、控制板ALB、輸出濾波板TOF、顯示控制板FPB。FPB板與ALB板通過一根26線扁平電纜相連，同時用一根4線電纜與DK04A型監(jiān)控模塊進行數據通信。 DMA

29、12型整流模塊可將上面六塊印制板分為兩大部分。第一部分為功率變換及控制電路，包括ACIB、ACMB、DCMB、TOF、ALB等。這一部分將交流輸入變換成良好整定的48V直流輸出，包含了能夠實現功率變換的全部高頻反饋回路。,第二部分為整流模塊自身的監(jiān)控部分，由帶有微處理器的FPBI所構成，能完成監(jiān)測、顯示和控制功能。它通過一系列低頻的基本上為直流模擬信號(主要為電壓和電流的設定點)及數字信號(主要為告警信號及開關控制信號)，來對功率變換部

30、分進行相互作用。,DMA12型48V/50A整流模塊控制方框圖,將整流模塊精心地設計成這兩大主要部分，是為了在有必要對整流模塊的顯示部分或其它外部特性部分進行變動時，可以不影響功率變換部分而只需要對印制板FPBI進行改進。 這很有必要，因為功率變換部分特別是高頻控制回路對線路的布局非常敏感，線路稍一變動，模塊的性能就可能發(fā)生變化。,四. 技術指標,五.工作原理,,下面簡要介紹各部分的工作原理：EMI濾波器和瞬態(tài)抑制電路

31、 交流輸入電源通過輸入斷路器加到ACIB板的輸入EMI濾波器上，EMI濾波器由一個共模電感、一個差模電感和X型（差模）電容組成。在ACIB板上裝有壓敏電阻，放電管等瞬態(tài)抑制器件，以保護整流模塊避免高壓浪涌的沖擊。,2. 交流－直流升壓變換器 在經過輸入濾波后，交流電源輸入到限流繼電器和限流電阻上。當前面板上的交流輸入控制開關打開后，限流繼電器閉合，同時DC/DC變換電容被逐漸充電到交流輸入的電壓峰

32、值。當此直流電壓值超過交流輸入工作范圍的下限后，升壓電路即開始啟動，并將電容上的直流電壓升至整定的420V左右； 在直流電壓線性上升期間，當該直流電壓超過交流電壓的峰值時，交流主電源繼電器閉合，這樣就完成了升壓變換器的起動過程；,升壓變換電路由高頻電感、MOSFET/IGBT并聯混合開關、升壓二級管及無損耗緩沖網絡所構成。并聯混合開關把功率開關的損耗減至最小，這樣在升壓級使效率有所提高。IGBT和MOSFET的并聯使用，

33、充分利用了IGBT導通損耗低和MOSFET開關速度快的優(yōu)點，組成了一個高效率的功率變換開關； 升壓變換電路既使交流輸入電壓變換成整定的420v直流電壓，同時又通過上述的功率變換開關將交流電源的電流波形控制為與電壓波形一致。對交流輸入來說，整流模塊是一個阻性負載，不會對交流電網造成畸變。同時，由于電流波形不僅與電壓波形在正弦波的形狀上一致，而且相位相同，這就成功地實現了功率因數的有源校正，使功率因數能達到或接近于1的水平。

34、,3. 半橋式直流一直流變換器 在這部分電路中，直流線圈與一個半橋式開關電路相連。此開關電路分別由兩個電容C1a、C1b和兩個功率開關S1a、S1b組成。兩個功率開關分別驅動主高頻變壓器的初級繞組； 每個功率開關實際上與上述討論的一樣;也是由MOSFET和IGBT并聯而成。,4. 輸出整流和濾波電路 中心抽頭的次級電壓通過輸出電感L0和輸出電容C0的組合來進行整流和濾波，然后通過輸出電磁兼容濾

35、波器輸出至機殼背部的直流輸出端子。次級電路的一個電流分流器給控制板ALB提供控制回路所需的電流反饋信號； 整流模塊輸出斷路器CB0為輸出電路發(fā)生故障時提供保護； 緊靠直流輸出端子有一個直流輸出濾波部分（TOF板），是為直流輸出提供共模和差模濾波。,5. 控制和告警信號 控制板ALB的直流電壓檢測電路用于控制限流繼電器Rly1和Rly2。ALB上的電壓和電流控制回路用于升壓變換開關SB的控制，準電流型控

36、制電路用于半橋式直一直功率變換開關S1a和S1b的控制。該準電流型控制電路是由同位于ALB上的輸出電壓和輸出電流控制電路通過一個光耦來依次進行控制。 顯示控制板FPB用兩個低電壓直流信號VDEM（輸出電壓要求信號）和IDEM（輸出電流要求信號）來對輸出電壓和輸出電流進行控制。,在DK04A型監(jiān)控模塊起作用時，該VDEM和IDEM與監(jiān)控模塊的要求一致，在監(jiān)控模塊不起作用時，由整流模塊本身的參數來確定。 ALB板

37、向FPB板送去一系列的數字告警信號，也送去兩個模擬信號Iout和Vout。這些信號被FPB板進行處理，以便送往監(jiān)控模塊及自己顯示出相應的電壓電流和告警信息。,6. 參數設置及與監(jiān)控模塊的通信 FPB板采用了微處理器來對整流模塊的狀態(tài)進行監(jiān)控，使模塊顯示內容豐富、直觀，還具有故障自診斷能力。它既可將信息送至DK04A型監(jiān)控模塊，也可接受監(jiān)控模塊的控制指令與參數設置。 DMA12型整流模塊的參數設置全部以數字方式進行

38、，既可在面板上進行設置，也可在遠程計算機上進行，這使得模塊具有參數設置方便、調整方便的特點，易于開通和維護。 此外，由于FPB板的數字控制，模塊還具有許多特點，如具有從5A到55A無級限流的特性。,DMA12－48/50型整流模塊，在采用了一系列新型高頻開關電源技術的同時，也進行了一些獨具匠心的設計。該模塊在電路不做大量調整的情況下，即可實現48V/70A和24V/I00A的派生。 另外，由于所采用的的電路拓撲結

39、構，模塊工作在滿負荷的40%到80%情況下，均有很高的效率，并且最高的效率點設計為60%。相比那些將最高效率點設計在滿載情況的整流模塊，DMA12型整流模塊會使用戶的成本降低，產生一定的經濟效益。 同時由于其配套的監(jiān)控模塊均為DK04系列產品，因而由該模塊組成的開關電源系統(tǒng)、由DMA10型l00A整流模塊、48V/70A整流模塊、24V/100A整流模塊等所組成的開關電源系統(tǒng)，都能非常容易地實現遠程集中監(jiān)控。這也會給用戶帶來

40、很大的方便和一定的經濟效益。,3.4 DMA14智能高頻開關整流模塊系統(tǒng),3.4.1 DMA智能高頻開關整流模塊的技術參數一. 特點：1. DMA14一48/50型整流模塊是一種采用了高頻開關技術的整流設備；2. 24V或48V電壓等級，容量可以從25A～500A；3. 適用于程控交換局、移動通信交換局和基站、光纖和微波通信及農村通信等，尤其適用于無人值守、集中監(jiān)控、集中維護與管理的通信系統(tǒng)。,4. 目前構成的典型系統(tǒng)是DUM2

41、3V型的組合電源系統(tǒng)；5. 優(yōu)點：交流輸入電壓范圍寬、效率高、功率因數高、體積小、噪聲低、穩(wěn)定可靠、維護方便。,DMA14型整流器模塊重量只有幾公斤，當出現故障時，可以包裝起來送至修理中心修理。同時，可立即在故障模塊空出的位置插入一個備用模塊。,二. 技術指標,3.4.2 DMA14結構,一. 系統(tǒng)構成,二. 功能框圖,三. AC/DC升壓變換,具體的升壓級電路圖：,升壓級在交流電源中得到正弦電流時，將輸入交流電壓變換到 420V