高效率、低應力、低污染、低輸出紋波通信開關電源的研制

摘要：電源是通信系統的供電核心。在系統分析電源關鍵技術的基礎上，采用軟開關有源功率因數校正技術，相移諧振軟開關變換技術和輸入EMI、輸出紋波濾波技術研制成高效率、低應力、低污染、低輸出紋波的開關電源，并通過了原郵電部入網測試。

關鍵詞：電源軟開關功率因數校正移相諧振

High Efficiency Low Electric Stress Low Electric Pollution Low Output

Ripple Switching Power Supply for Telecommunication

Abstract: power supply is very important for telecommunication.A new high efficiency , low electric stress , low electric pollution and low output ripple switch power supply was fabricated. ZVS active power factor corrector, ZVS full－ bridge phase－ shift converter and new filter for EMI input ＆ output ripple was consisted in the system. The system reaches the standard of MPT requirements.

Keywords: Power supply Soft switching PFC Phase－ shift resonance

1引言

　　高頻開關通信電源系統是通信、電力、交通、金融等行業的主要供電設備，是集電路、磁路、控制及計算機技術于一體的高新技術產品。目前國內外許多大公司，包括英國Advance、華為、中興、通力環等都有系列產品銷售。但隨著通信產業和電力電子技術的發展，電源技術也在不斷地前進。本文對影響開關電源性能的幾個關鍵技術進行了分析，在此基礎上研制新型高可靠性、高效率、低污染開關電源系統。

2市場對新型開關電源的主要技術要求

　　（1）高可靠性開關電源系統MTBF（平均無故障工作時間）應≥15萬小時。

　　（2）低電磁污染主要包括低輸入諧波干擾和低高頻電磁干擾兩個方面。

　　（3）低輸出紋波紋波大是開關電源的缺點之一，是引起數字電路誤動作、計算機死機的主要原因。

3新型開關電源組成

　　新型低污染、高效率、低應力、低輸出紋波開關電源的原理框圖如圖1所示，主要包括EMI及浪涌吸收濾波電路，前級有源軟開關功率因數校正電路，相移諧振軟開關DC/DC變換電路及輸出紋波抑制電路等。

圖1

4低應力高可靠電源變換技術

　　功率器件開關應力（包括熱應力和電應力）是影響電源可靠性的主要因素，功率器件的熱應力包括其穩態溫升和開關過程中的動態功耗兩部分，穩態溫升主要和系統的效率有關，只有減少系統各元器件的功耗（主要包括變壓器、變換器件、吸收回路的功耗），才能提高系統效率從而降低穩態溫升。動態損耗即開關過程中UI乘積，可通過使開關過程中電壓、電流波形錯位的方法來減少。功率器件的電應力即開關過程中電壓、電流變化率及峰值。新型電源設計中采用軟開關變換技術來減少功率器件的應力，提高系統可靠性。軟開關變換技術包括前級功率因數校正、軟開關變換技術和后級相移軟開關變換技術兩部分，前級功率因數校正及軟開關變換電路的原理如圖2所示。

　　控制電路采用Unitrode公司UC3855完成，主、輔管驅動波形如圖3所示，V1為主開關管，V2為輔助開關管，在主管V1開通之前先使V2導通，實現主開關管的ZVS開通，從而顯著降低功率器件的開關損耗和開關電應力，提高系統的可靠性和電磁兼容性。

圖2

圖3

　　后級相移軟開關變換電路原理如圖4所示。

　　V1－V4組成橋式變換電路，L1為儲能諧振電感，其控制由Unitrode公司UC3875完成，V1，V2，V3，V4的驅動信號如圖5所示。

　　該電路工作的主要難點是如何在比較大的范圍內使滯后臂實現軟開關，通過諧振電感、電容及死區時間的優化設計滿足要求。

圖4

圖5

5低污染電源變換技術

　　低頻諧波干擾及高頻電磁干擾是開關電源污染的主要形式，低頻諧波干擾主要來源于開關電源輸入的非線性。目前減少低頻諧波干擾的主要措施有：無源校正措施和有源校正措施。新型電源采用有源功率因數校正技術，即采用有源功率變換使開關電源輸入線性化的技術，原理如圖6所示。其工作原理是通過電壓、電流閉環控制和功率變換電路使輸入電流跟蹤輸入電壓，提高系統功率因數，減少低頻諧波。

圖6

　　高頻電磁干擾是開關電源的另一種污染，指150kHz～30MHz的高頻傳導干擾。主要包含兩類干擾：常模干擾，即高頻器件開關引起的輸入線之間的干擾；共模干擾，即功率器件、變壓器與機殼地之間的漏電流引起的輸入線與機殼地之間的干擾。電源中采用了常模共模濾波網絡，濾除電源高頻干擾。另外，在功率器件、變壓器與機殼地之間采用法拉地屏蔽器、主功率變換采用軟開關技術及優化輸入電感濾波網絡設計，也可以顯著增強電源的抗高頻干擾性能。

6輸出紋波抑制措施

　　開關電源輸出紋波主要來源于四個方面，即輸入交流電源噪聲，高頻差模噪聲，寄生參數引起的共模噪聲和功率器件開關過程中產生的超高頻諧振噪聲。

　　交流電源噪聲主要來源于輸入工頻交流分量，可采用前級預穩壓和增大DC/DC變換器閉環增益來消除。

　　高頻差模噪聲來源于高頻功率開關變換電路，其大小主要和開關電源的變換頻率、輸出濾波器的結構和參數有關，設計中盡量提高功率變換頻率，以減少高頻開關噪聲。

　　共模噪聲主要來源于功率器件、變壓器與機殼地之間的漏電流，盡量減少功率器件、變壓器與機殼地之間的寄生電容，并在輸出側加共模電感及共模電容，可減小輸出共模噪聲。

　　超高頻諧振噪聲，主要來源于高頻整流二極管反向恢復時二極管結電容、功率器件開關時功率器件結

電容與線路寄生電感的諧振，頻率一般為1～10MHz，

通過選用軟恢復特性二極管、結電容小的開關管和減少布線長度等措施可以減少超高頻諧振噪聲。

7新型電源技術指標

輸入電壓范圍：AC154～286V（單相）

輸出電壓范圍：均充57.6V

浮充43.2—56.2V

額定輸出電流：50A

效率：90％

輸入功率因數：0.98

負載效應：±0.08％

源效應：±0.02％

負載響應：<200μ s

起動電流：≤130％

端子干擾電壓：0.15～0.5MHz75dBUV

0.5～30MHz70dBUV

輸出紋波（峰－峰值）：150mV

8結論

　　在滿足客戶需求的前提下，系統地分析實現高可靠性、低污染、低輸出紋波的技術措施，并在此基礎上研制成功新型高效率、低污染，低輸出紋波開關電源，達到原郵電部入網要求，滿足市場需求。

參考文獻

1 Unitrode， application handbook， 1997

2 Unitrode， product Databook， 1997

3 J.A.Sabate, V.V.Latkovic,R.B.Ridely,F.C.Lee,B.H.cho,Design considerations for high－ voltage high－ power full－ bridge,zero－ voltage－ switched PWM converter ,IEEE APEC 90 ,PP275－ 284

4 G.Hua,F.C.Lee,M.M.Jovanovic,An improved full－ brigde zero－ voltage－ switched PWM converter using a saturable inductor,IEEE Transaction on PE vol .8,OCT .1993， PP530－ 534

5 EMI filter design handbook,IEEE 1996

6杜中義,開關電源輸出紋波抑制措施的研究,電力電子技術,1997

7北京通力環電氣有限公司,高頻開關電源系統入網檢測報告,1999.4