魏愛成

（山西廣播電視無線管理中心，山西太原 030001）

0 引言

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，開關(guān)電源的應(yīng)用越來越廣，開關(guān)頻率的持續(xù)提高使開關(guān)電源的性能也得以進(jìn)一步優(yōu)化，集成度更高，功耗更低，電路更加簡(jiǎn)單，工作更加可靠，是開關(guān)電源發(fā)展的方向。目前，高頻開關(guān)電源在我省廣播電視各微波站得到了廣泛的應(yīng)用，我站現(xiàn)采用廣州基仕域通訊有限公司生產(chǎn)的技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量可靠的挪威POWEC諧振式高頻開關(guān)電源。

1 高頻開關(guān)電源的組成

圖1 高頻開關(guān)電源的電路原理方框圖

1.1 主電路

從交流電網(wǎng)輸入、直流輸出的全過程，包括:

（1）輸入濾波器:其作用是將電網(wǎng)存在的雜波過濾，同時(shí)也阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋到公共電網(wǎng)。

（2）整流與濾波:將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電，并向功率因數(shù)校正電路提供穩(wěn)定的直流電源。

（3）功率因數(shù)校正:位于整流濾波和逆變之間，為了消除由整流電路引起的諧波電流污染電網(wǎng)和減小無功損耗來提升功率因數(shù)。

（4）逆變:將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關(guān)電源的核心部分，頻率越高，體積、重量與輸出功率之比越小。

（5）輸出整流與濾波:根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。

1.2 控制電路

一方面從輸出端取樣，經(jīng)與設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，然后去控制逆變器，改變其頻率或脈寬，達(dá)到輸出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)測(cè)試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，提供控制電路對(duì)整機(jī)進(jìn)行各種保護(hù)措施。

1.3 檢測(cè)電路

除了提供保護(hù)電路中正在運(yùn)行中各種參數(shù)外，還提供各種顯示儀表數(shù)據(jù)供值班人員觀察、記錄。

1.4 輔助電源

提供開關(guān)整流器本身所有電路工作所需的各種不同要求的電源（交直流各種等級(jí)的電壓電源）。

2 高頻開關(guān)控制穩(wěn)壓原理

圖2 高頻開關(guān)控制穩(wěn)壓原理圖

開關(guān)K以一定的時(shí)間間隔重復(fù)地接通和斷開，在開關(guān)K接通時(shí)，輸入電源E通過開關(guān)K和濾波電路提供給負(fù)載RL，在整個(gè)開關(guān)接通期間，電源E向負(fù)載RL提供能量;當(dāng)開關(guān)K斷開時(shí)，輸入電源E便中斷了能量的提供。可見，輸入電源向負(fù)載提供能量是斷續(xù)的，為使負(fù)載能得到連續(xù)的能量提供，開關(guān)穩(wěn)壓電源必須要有一套儲(chǔ)能裝置，在開關(guān)接通時(shí)將一部分能量?jī)?chǔ)存起來，在開關(guān)斷開時(shí)，向負(fù)載釋放。圖2中，由電感L、電容C2和二極管D組成的電路，就具有這種功能。電感L用以儲(chǔ)存能量，在開關(guān)斷開時(shí)，儲(chǔ)存在電感L中的能量通過二極管D釋放給負(fù)載，使負(fù)載得到連續(xù)而穩(wěn)定的能量，因二極管D使負(fù)載電流連續(xù)不斷，所以稱為續(xù)流二極管。在AB間的電壓平均值EAB可用下式表示:

式中TON為開關(guān)每次接通的時(shí)間，T為開關(guān)通斷的工作周期（即開關(guān)接通時(shí)間TON和關(guān)斷時(shí)間TOFF之和）。由式可知，改變開關(guān)接通時(shí)間和工作周期的比例，AB間電壓的平均值也隨之改變，因此，隨著負(fù)載及輸入電源電壓的變化自動(dòng)調(diào)整TON和T的比例便能使輸出電壓V0維持不變。改變接通時(shí)間TON和工作周期比例亦即改變脈沖的占空比，這種方法稱為“時(shí)間比率控制”（Time Ratio Control，縮寫:為TRC）。

按TRC控制原理，有三種方式［1］

（1）脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，縮寫為PWM），開關(guān)周期恒定，通過改變脈沖寬度來改變占空比的方式。

（2）脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency Modulation，縮寫為PFM），導(dǎo)通脈沖寬度恒定，通過改變開關(guān)工作頻率來改變占空比的方式。

（3）混合調(diào)制，導(dǎo)通脈沖寬度和開關(guān)工作頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它是以上二種方式的混合。

3 高頻開關(guān)電源的特點(diǎn)

（1）重量輕，體積小，采用高頻技術(shù)，去掉了工頻變壓器，與相控整流器相比較，在輸出同等功率的情況下，開關(guān)整流器的體積和重量只是相控整流器的1/10。

（2）功耗小，效率高，開關(guān)電源采用的功率器件一般功耗較小，帶功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)拈_關(guān)電源其整機(jī)效率可達(dá)88%，較好的可做到91%以上。

（3）功率因數(shù)高，相控整流器的功率因數(shù)隨可控硅導(dǎo)通角的變化而變化，一般在全導(dǎo)通時(shí)，可接近0.7以上，而小負(fù)載時(shí)，僅為0.3左右。經(jīng)過校正的開磁電源功率因數(shù)一般在0.93以上，并且基本不受負(fù)載變化的影響（對(duì)20%以上負(fù)載）。

（4）穩(wěn)壓精度可高達(dá)0.2%（相控1%）。

（5）噪音低，在相控整流設(shè)備中，工頻變壓器及濾波電感工作時(shí)產(chǎn)生的可聞噪聲較大，一般大于60 dB。而開關(guān)電源在無風(fēng)扇的情況下可聞噪聲僅為45 dB左右。

（6）維護(hù)方便，因?yàn)殚_關(guān)電源是模塊式的，可以在運(yùn)行中更換，不影響工作（相控電源需停機(jī)處理）。

（7）實(shí)行N+1配套，可靠性高。穩(wěn)定、可靠，長(zhǎng)壽命，采用N+1冗余配置。

（8）擴(kuò)容方便。

（9）可由微機(jī)控制，遠(yuǎn)端接口，組成智能化電源設(shè)備，便于集中監(jiān)控。

（10）對(duì)交流輸入要求低，在三相嚴(yán)重不平衡時(shí)，整流系統(tǒng)仍能輸出，提供穩(wěn)定的直流電。

4 高頻開關(guān)電源的分類

（1）按激勵(lì)方式可分為:自激式和他激式

自激式開關(guān)電源在接通電源后功率變換電路就自行產(chǎn)生振蕩，即該電路是靠電路本身的正反饋過程來實(shí)現(xiàn)功率變換的。自激式電路出現(xiàn)最早，它的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度較快，但開關(guān)頻率變化大，輸出紋波值較大，不易作精確的分析、設(shè)計(jì)，通常只有在小功率的情況下使用，如家電、儀器電源。他激式開關(guān)電源需要外接的激勵(lì)信號(hào)控制才能使變換電路工作，完成功率變換任務(wù)。他激式開關(guān)電源的特點(diǎn)是開關(guān)頻率恒定，輸出紋波小，但電路較復(fù)雜，造價(jià)較高，響應(yīng)速度較慢。

（2）按開關(guān)電源所用的開關(guān)器件可分為［2］:雙極型晶體管開關(guān)電源、功率MOS管開關(guān)電源、IGBT開關(guān)電源、晶閘管開關(guān)電源等。

功率MOS管用于開關(guān)頻率100 kHz以上的開關(guān)電源中，晶閘管用于大功率開關(guān)電源中。

（3）按開關(guān)電源控制方式可分為:脈寬調(diào)制（PWM）開關(guān)電源、脈頻調(diào)制（PFM）開關(guān)電源、混合調(diào)制開關(guān)電源。

（4）按開關(guān)電源的功率變換電路的結(jié)構(gòu)形式可分為:降壓型、反相型、升壓型和變壓器型。變壓器型中按開關(guān)管輸出電路的形式可分為:單端開關(guān)電源、雙端開關(guān)電源。而單端開關(guān)電源可分為單端正激型、單端反激型。雙端開關(guān)電源又可分為推挽型、半橋型、全橋型。

5 POWEC 電源的應(yīng)用［3］

（1）POWEC電源系統(tǒng)采用零電壓諧振開關(guān)技術(shù)，如圖3所示:

圖3 零電壓諧振開關(guān)原理圖

圖3中C1、C2和L的諧振頻率始終低于Q1、Q2，從而保證開關(guān)管Q1、Q2在零電壓條件下導(dǎo)通，消除了開關(guān)損耗和寄生電容。

（2）POWEC電源可在惡劣的環(huán)境溫度-25℃ ～55℃下正常工作，70℃時(shí)可工作兩小時(shí)。平均無故障時(shí)間達(dá)一百萬小時(shí)。

（3）POWEC電源采用控制模塊無關(guān)性的硬件均流方式，即使控制模塊失靈，系統(tǒng)也能保持很好的負(fù)載均分，誤差小于標(biāo)準(zhǔn)電流的5%，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性;在電池測(cè)量方面，提供電壓測(cè)量端口和溫度測(cè)量端口;在電池充電方面，除浮充外，還提供三種方式的均充，即手動(dòng)均充、定時(shí)均充和自動(dòng)均充，以及溫度補(bǔ)償功能和電池限流功能。此外，還提供了輸出過壓、過流保護(hù)、整流模塊溫度過高保護(hù)、可設(shè)定的低電壓切斷裝置保護(hù)電池或負(fù)載。

6 結(jié)束語

高頻開關(guān)電源是一種模塊化設(shè)計(jì)的可靠性和智能化程度高的電源，其體積小，功耗低，效率高，噪音低，穩(wěn)壓精度高，安全可靠，使用維護(hù)方便，目前已在各微波站得到廣泛應(yīng)用。

［1］劉勝利，李龍文.高頻開關(guān)電源新技術(shù)應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2008.

［2］張廷鵬，吳鐵軍，徐明.通信用高頻開關(guān)電源［M］.北京:人民郵電出版社，1997.