开关整流器技术概述

北京意科通信技术有限责任公司 谭宗振
　　1 引言

　　智能高频开关电源系统，以开关整流器为基础，结合交直流配电、智能化控制器并配有集中监控模块的应用，使电源系统功能不断趋于完善，监测、控制、显示清晰明了，并可以和中央监控系统通信，实现远距离遥控、遥信、遥测和无人值守。

　　开关整流器是电源系统中最重要的部分，它的技术是否先进，关系着开关电源系统的功能和可靠性。因此，一些自主开发的厂商很注重开关整流器技术性能的改进，其目的是使开关整流器的可靠性和效率得到很大提高，使其成本和高频电磁干扰降低。

　　2 恒功率整流器技术

　　恒功率整流器，其突出特点是在规定的交流输入电压和直流输出电压范围内，均能给出额定功率。即在蓄电池低电压时，仍能输出更大的电流。这种采用恒功率设计的新型智能高频开关电源系统，是通信电源构思上的一个飞跃，也是现代通信电源设备的最优选择。

　　在普通限流型整流器中，根据蓄电池的贮能情况，其输出特性可分为两个不同的阶段，即恒流和恒压阶段。在恒流阶段，其输出电流保持不变，即对蓄电池进行恒流充电；在恒压阶段，其输出电压保持不变，即对蓄电池进行恒压充电。在恒流阶段，如果欲使负载电流超过限流值，则整流器输出电压将随电流增加而快速下降直到整流器过流关闭。其额定电流、限定电流及过流值都很接近，因此，采用限流型整流器设计的开关电源系统，给已放电的蓄电池在某一特定的充电时间内进行充电，所能提供的最大输出电流就不可能是通信设备所需最大负载。究竟以多大的电流对已放电的蓄电池再充电，通常要从通信设备所需的最大负载、停电后蓄电池放电的安时数和恢复蓄电池容量所需的充电时间等三个方面来考虑。一般要留出33%~45%额定电流给停电后已放电的蓄电池再充电。这也就相当电源系统中33%以上整流模块长期处在备用状态而未被充分利用。显然，这种电源系统设计不是最优设计。

　　恒功率整流器与限流型整流器不同之处，是在恒压和恒流阶段中插入一个恒功率阶段，这就是所谓恒功率整流器。该整流器工作在三个不同输出阶段，即恒压、恒功率和恒流阶段，恒压和恒流阶段的工作情况，与限流型整流器完全相同，符合国家有关标准规定。所不同的是在恒功率阶段，整流器输出功率保持不变，但其输出电压可从60V随着电流增加而线性地减小至43V，此时，系统仍处在正常工作状态。整流器具有这一特性，就能为已放电的蓄电池提供更大的充电电流和更快速充电。因此，采用恒功率整流器设计的开关电源系统，一般只需考虑电信设备最大负载和一个整流器的冗余，就可以确定电源系统的额定输出功率。这与采用限流型开关电源系统相比较，所需的整流功率和所需的整流模块数量至少可以减少33%以上，这也就为用户极大地节约了投资。

　　3 相移谐振脉宽调制技术

　　相移谐振脉宽调制与普通PWM电路的区别，可用全桥式变换器来说明，即在高频变压器初级电路中串入了一个谐振电感并加上两个小电流箝位二极管。但是，两者在开关管驱动方式上区别很大。普通PWM电路的驱动方式是使位于逆变桥对角的2只开关管同时导通或同时关断。在开关管截止后，每只管的结电容上都储存了一定的能量。当开关管导通时，这些能量将通过开关管放掉，额外增加了开关损耗。由于这时电流变化率很大，产生的电磁干扰以及开关管在开关瞬间承受的功耗峰值也很大。

　　在相移谐振脉宽调制电路中，为了实现零电压导通，使逆变桥中位于同一侧上、下两个开关管交替截止与导通转换间设置一死区，死区时间应等于或略大于二分之一谐振周期。即当上端的开关管关断后，谐振电感和结电容产生振荡直至下端开关管电压为零后，才驱动下端开关管导通，即零电压导通。结电容中储存的能量输出到高频变压器次级或回馈到了电源，不会造成损失。

　　在硬开关方式中，一个几百瓦的开关管在开关瞬间要承受几千瓦的功率峰值，其电应力往往会在20多秒内把开关管损坏。而软开关技术降低了开关管在导通与关断时所承受的应力，减少了开关损耗，使开关管发热量减少，温升降低，效率自然提高，同样使开关管的可靠性显著提高。另外，采用软开关技术可使EMC费用降低，散热器费用减少并可使选用的开关参数余量减少，允许开关管工作在更高的温度上，从而使产品的成本降低了。意科公司生产的48V/40A、48V/50A整流器测试数据表明，软开关技术可使开关损耗降到可忽略程度，功率变换部分的效率可达到94%。

　　4 有源功率因数校正技术

　　普通开关整流器大多数采用电容器滤波。这种滤波电路，只有输入电压超过滤波电容储存电压时才导通。因此，输入电流成脉冲波形，且谐波电流很大，造成功率因数下降。低功率因数开关电源的使用，严重污染了电网，干扰了其它设备，增大了前级设备（如变压器、电缆传输、柴油发电机等）的功率定额，使供电系统容量至少要增大30%以上，使用户增加了投资。对于三相四线输入，当三相负载不平衡时，零线电流会很大。从实际运行结果来看，低功率因数的开关电源所带来的危害是很严重的，这是因为输入电流有很高的峰值，含有大量的高次谐波，不但产生严重电磁干扰，还使供电变压器产生大的电磁应力，噪音增大，铁损严重，温升剧增。因此，在整流器设计中，认真设计好功率因数校正电路是至关重要的。

　　有源功率因数校正电路，通常使用Unitrode公司的UC3854控制芯片。采用固定高频谐振软开关脉宽调制升压式变换电路，平均电流型控制方法。为使有源功率因数电路做得更好，可加入一个升压缓冲器，这种电路通常有两种形式，一种是加入一个零压主开关和一个零流辅助开关，但零流辅助开关的驱动和控制电路较复杂，造价较高；另一种缓冲器，只采用一个零流主开关，而不用辅助开关，因此，这种电路造价低，设计方便，也由于没有零压开关，这就阻止了开关频率的增加。由于采用了升压缓冲器，从而极大地降低了高压二极管和大功率VMOS管的开关损耗，并大大降低了电磁干扰。该电路的输入端串入阻值很小（约50mΩ）的采样电阻，流经采样电阻的实际电流与全波整流100Hz正弦输入电压比较，并通过反馈，使输入电流波形跟踪电压波形，这样整流器基本上工作在纯电阻状态。

　　采用UC3854芯片的功率因数校正电路属于电流电压复合控制系统。它在调整输入电流跟踪输入电压的同时，通过芯片内部的乘法器也在同时调整输出电压，使输出电压稳定在400V左右。为后一级全桥变换器提供不受输入交流电压影响的稳定直流电压。这就方便了全桥变换器的优化设计。由于电压稳定，全桥DC/DC变换器可以采用最佳变比，高频变压器、滤波电感、开关管及二极管都可工作在最佳状态，效率也有提高。

　　5 用一个主频同步控制PFC、DC/DC变换器和辅助开关电源

　　有源功率因数校正器(APFC)实际上是一个高频脉宽调制升压变换预调器。它的输出电压通常比交流输入峰值电压高。接在功率因数校正器输出端作为能量储存用的电解电容器，在开关管截止时，升压电感器储存的能量将通过升压二极管对其充电。而接在电解电容器下一级的DC/DC全桥变换器所需的电流是通过软开关脉冲控制从电解电容器放电中得到。

　　在普通开关电源中，由于DC/DC变换器开关频率和功率因数校正器开关频率不一样。因此，在电解电容器充放电过程中，电解电容器电压不会处在一个稳定电压上。通常是在400 V基础上，加上电解电容器充放电的脉冲电压，脉动电压峰-峰值很大，常会造成电解电容损坏，这是一个不容忽视的问题。

　　在功率因数校正器和DC/DC变换器中，采用一个主频同步控制功率因数校正器的开关管和DC/DC变换器中的软开关同时工作。当使通过升压二极管的充电电流和通过DC/DC变换器的电流尽可能重叠时，即电解电容器同时充放电时，电解电容器上的脉动电压峰-峰值将减小。

　　实践证明：当整流器电解电容器上的脉动电压减小40%以上时，将使电解电容器的寿命延长，可靠性增加，在返修的整流模块中很少见到电解电容器损坏的。这一方法可使电解电容器稳定可靠地工作。

　　如果辅助开关电源的开关频率也受同一个主频同步控制，则整个整流模块只有一个开关频率基波及其高次谐波，这就便于模块平滑滤波，也可免去多个开关频率的相互干扰。

　　6 倍流整流器技术

　　通常DC/DC变换器是一个全桥功率变换器，在高频变压器次级也常使用全波整流技术。因此， 在普通整流器中，高频变压器次级绕组必须有一个中心抽头并与电路参考电压（地）相连，中心抽头把高频变压器次级绕组分成两个电感器。

　　倍流整流器是由一个没有中心抽头的高频变压器次级绕组，两个电感量相等而且同绕在一个磁芯上的电感器以及由两个整流二极管和输出电容器组成。

　　倍流整流器最突出特点是高频变压器次级绕组没有中心抽头，而且流过变压器线圈和滤波电感器电流只是输出负载电流一半。因此，大大简化了高频变压器和滤波电感器结构设计。但电路中需多加一个滤波电感器，两个滤波电感器的电感总值，可等于或略小于普通全波整流器扼流圈的电感值，因为流过两个滤波电感器的电流，其工作频率和电流变化速度均较低。由于倍流整流器输出电流是两个滤波电感器电流的总和，而两个滤波电感器的脉动电流是相消的。因此直流输出脉动电流也较低。

　　7 四层印刷版表面贴装技术

　　现代通信设备朝着更轻更小的方向发展，高密度半导体集成电路的出现为之创造了有利条件。这也对开关电源提出新的挑战。为此应把先进性与可靠性有机地溶为一体；把应用最新器件及具有国际水平的系统结构设计、工艺设计溶为一体；把不断改进工艺设计，不断更新设备（其中包括高密度的表面贴装设备与自动半自动插件机）溶为一体。实现把整流模块的控制、监测、保护等弱电部分和一个系统功能强大、全智能化监测、控制、管理及显示完善的监控模块所需要的各种集成电路、半导体二极管和三极管，电阻，电容，电感等元器件，全部高密度贴装在一块四层印刷板上，从而使产品提高功率密度，减小重量和体积，降低功耗，增加可靠性。

　　 8 精心设计的EMC技术

　　整流模块应具有输入输出防电磁干扰电路和屏蔽结构，它包括：一个共模式四阶低通滤波器，对无线广播干扰有很好的抑制，对模块开关脉冲频率基波及高次谐波加以滤波，以防相互干扰；输入输出应装有过流保护空气开关，具有过流切断保护能力；在输入端串入由两个大瓦数小阻值电阻器组成的软启动电路，以防在开、关机瞬间，浪涌电流对设备元器件造成损坏，正常工作后用继电器短接。整流模块输入端还装有3个压敏电阻，对1.2μs/50μs浪涌电压加以抑制,当输入交流出现特高压时，压敏电阻能对浪涌电压箝位并能吸收浪涌电流，使整流器内部得到保护。由于精心设计的EMC技术使电源系统具有极小的电磁辐射，故可与程控交换机和其他通信设备配置在同一机房。

摘自《中国电源资讯网》