一種新型通信用整流器

摘要：介紹了一種新型通信用整流器的電路組成與技術(shù)特點(diǎn)，給出了主電路結(jié)構(gòu)與技術(shù)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：整流器；零電壓；單端有源箝位

1 引言

隨著電信市場(chǎng)的繁榮，作為通信網(wǎng)絡(luò)的心臟——電源設(shè)備及監(jiān)控系統(tǒng)越來越處于重要地位，對(duì)其要求越來越高。對(duì)用戶而言，新一代的整流設(shè)備應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

1）高效率；

2）良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；

3）體積小，重量輕，易攜帶；

4）高可靠，易更換；

5）高功率因數(shù)及低EMI；

6）高智能。

針對(duì)以上要求，西安普聲電信有限責(zé)任公司開發(fā)出新一代開關(guān)整流設(shè)備。現(xiàn)就其主要部分做一簡(jiǎn)介。

2 電路組成

整個(gè)電路框圖如圖1所示。輸入電壓為單相154～275V 50Hz，通過保護(hù)電路，整流電路，功率因數(shù)校正電路，得到約為400V的直流電壓，送到開關(guān)電路。同時(shí)，輔助電源從濾波電路之后取出能量。

圖1 電路框圖

開關(guān)電路將此400V直流電轉(zhuǎn)換成頻率約為100kHz,脈寬可調(diào)的方波，經(jīng)過主變壓器降壓，獲得一交流方波序列，再經(jīng)過輸出部分的整流和濾波，得到54.0V的直流電。

電壓和電流誤差放大器將從輸出部分取出與輸出成正比的電壓和電流信號(hào)，與各自的參考值相比較得出誤差信號(hào)，送至脈寬調(diào)制電路。誤差信號(hào)決定開關(guān)管的占空比，達(dá)到穩(wěn)壓作用。

整機(jī)的控制由內(nèi)置CPU完成。

3 主電路結(jié)構(gòu)

3.1 輸入電路

如圖2所示，輸入電路采用多級(jí)濾波，以滿足電磁兼容的要求。在交流電加入的瞬間，主繼電器K不會(huì)馬上閉合，而是延時(shí)一段時(shí)間之后再動(dòng)作，以減少浪涌。

圖2 交流輸入部分

3.2 功率因數(shù)校正電路

整流器效率的高低直接關(guān)系到設(shè)備的可靠性，體積及重量,提高效率是提高可靠性最積極的辦法。典型的整流器是由AC/DC變換器（通常為二極管橋），功率因素校正部分，以及隔離的DC/DC變換器組成。單相應(yīng)用中為提供功率因數(shù)校正，必須使輸入電流跟隨輸入交流電壓。常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有Boost, Buck-Boost,Zeta,Cuk電路。對(duì)AC280V輸入，Boost電路中最大開關(guān)電壓為440V,而Buck-Boost, Zeta, Cuk電路中要高得多。過高的開關(guān)電壓對(duì)選擇合適的開關(guān)器件造成了困難。常用的開關(guān)器件有GTR，MOSFET，IGBT。GTR盡管飽和電壓低，但開關(guān)速度慢。功率MOSFET速度高，但體電阻值大，飽和壓降大。IGBT相對(duì)功率MOSFET有較低的開通電壓降，由于存在電流拖尾現(xiàn)象，開關(guān)損耗大，不適于高頻（100kHz左右）使用。綜合考慮，選擇功率MOSFET為開關(guān)器件與Boost電路作為功率因數(shù)校正電路是較合適的。同時(shí)由于升壓（Boost）電路輸出電壓總是高于輸入電壓的，對(duì)電壓波動(dòng)較大的地區(qū)，采用Boost電路進(jìn)行電壓預(yù)穩(wěn)是十分理想的。

如圖3所示，功率因數(shù)校正(PFC)電路的主要元器件是升壓扼流圈，升壓二極管以及開關(guān)管。其基本原理是:當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電流流過升壓扼流圈和開關(guān)管，把能量?jī)?chǔ)存于升壓扼流圈；當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí)，升壓扼流圈貯存的能量則試圖保持電流流通，使開關(guān)管漏極電壓迅速升高。這一電壓一旦超過了貯能電容上的電壓，電流就流過二極管，從而把貯存的能量從升壓扼流圈轉(zhuǎn)移到C1。為提高PFC的變換效率以及降低電磁干擾，采用零電壓PFC電路。

圖3 PFC電路原理

3.3 主變換電路

DC/DC變換，常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有全橋結(jié)構(gòu)，雙正激結(jié)構(gòu)。全橋結(jié)構(gòu)輸出功率大，變壓器利用率高，但存在著變壓器偏磁以及功率管直通的隱患。雙正激結(jié)構(gòu)由于不存在直通問題，具有較高的可靠性而倍受關(guān)注，是一種大力推崇的電路結(jié)構(gòu)，但存在變壓器利用率低的問題。

為提高效率，新型整流器中使用了單端有源箝位，零電壓開關(guān)技術(shù)。單端有源箝位電路中利用有源器件對(duì)常規(guī)的單端正激變壓器進(jìn)行復(fù)位，使變壓器工作于一、三象限，提高了變壓器利用率。同時(shí)由于是單端線路，避免了開關(guān)器件的直通問題，保證了整機(jī)的高可靠性。開關(guān)管工作于零電壓狀態(tài)開關(guān)大大降低了開關(guān)器件的開關(guān)損耗，同時(shí)也降低了電磁干擾。主變換電路如圖4所示。

圖4 主變換電路

3.4 電源模塊的參數(shù)

輸入電壓 額定電壓 220V 50Hz

工作電壓 150～280V

輸出電壓 均充 56.4V

浮充 54.0V（可調(diào)節(jié)）

限流保護(hù) 55A（可調(diào)）

欠壓告警 47V

電壓調(diào)整率 優(yōu)于0.1％

負(fù)載調(diào)整率 優(yōu)于0.5％

峰-峰值紋波電壓 150mV

功率因數(shù) >0.99

效率 >90％

體積 133mm×245mm×350mm

4 電路設(shè)計(jì)特色

該整流器采用了高效率設(shè)計(jì)，發(fā)熱量大大減小，同時(shí)設(shè)計(jì)了專門的風(fēng)道，使用高性能溫控?zé)o刷直流風(fēng)扇強(qiáng)制風(fēng)冷，保證了整機(jī)較低的溫升。同時(shí)CPU檢測(cè)到散熱器溫升超過設(shè)定值時(shí)使輸出限流點(diǎn)下降。除此之外還具備短路、過壓，過熱，伏秒積保護(hù)，風(fēng)扇失敗等保護(hù)功能。

該整流器交流輸入，直流輸出均帶有高性能液壓電磁斷路器，一方面可用作輸入、輸出過流保護(hù)，另一方面在系統(tǒng)使用中，可方便地將某一單元切出、投入，易于更換，而不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

整流器中，內(nèi)置CPU統(tǒng)一完成整機(jī)的控制，具有極高的智能性。

整流器的均充電壓，浮充電壓，輸出限流點(diǎn)，高壓告警點(diǎn)，過壓保護(hù)點(diǎn)均可由面板設(shè)定并由液晶顯示。此外CPU完成對(duì)均充，浮充，測(cè)試狀態(tài)，開關(guān)機(jī)控制。

可在液晶顯示器上顯示輸出電壓、電流值，軟件版本號(hào)，模塊地址碼，輸入交流電壓，散熱器溫度等信息。此外獨(dú)具測(cè)試功能，使用該功能，可方便測(cè)試機(jī)架中每一單元的保護(hù)功能及保護(hù)值而不破壞系統(tǒng)的運(yùn)行?？衫猛ㄐ沤涌谂c上位機(jī)進(jìn)行通信，并具有遙控均充，關(guān)機(jī)功能。

多機(jī)并聯(lián)后配合交直流屏可構(gòu)成一完備的機(jī)架系統(tǒng)。機(jī)架中模塊是并聯(lián)均流運(yùn)行的，合理的均流電路有利于系統(tǒng)可靠性的提高。均流電路將若干個(gè)模塊輸出電流進(jìn)行比較，并自動(dòng)確立一臺(tái)為主，其余的模塊則自動(dòng)跟蹤這臺(tái)模塊，使模塊處于電流均分狀態(tài)。如果非主用模塊出現(xiàn)故障，它會(huì)自動(dòng)退出系統(tǒng)；如果主用模塊出現(xiàn)故障，它會(huì)首先退出系統(tǒng)，然后在剩下的模塊中自動(dòng)確立一臺(tái)作為主用，其余的模塊再與之比較。這種方式可自動(dòng)選定主用模塊，任何一個(gè)模塊出現(xiàn)故障都不會(huì)影響系統(tǒng)工作。均流電路由模塊內(nèi)部硬件實(shí)現(xiàn)，與系統(tǒng)監(jiān)控器無關(guān)，如果關(guān)掉甚至拆掉監(jiān)控器，系統(tǒng)仍可均流工作，提高了系統(tǒng)的可靠性。

機(jī)架系統(tǒng)可接入兩路市電，可對(duì)兩組蓄電池充電。系統(tǒng)控制器采用大屏幕液晶漢字菜單操作方式，可監(jiān)控交流市電的電壓、電流、頻率、機(jī)架的輸出電流、蓄電池充電電流、主要分路電流，具有完備的三遙功能。系統(tǒng)具有極高智能性。

5 結(jié)語

由于采用新的技術(shù)與器件，整流器達(dá)到了較高的技術(shù)指標(biāo)。其效率>90％，輸入電壓范圍寬達(dá)150～280V，峰-峰值紋波電壓150mV，功率因數(shù)>0.99。內(nèi)置CPU使其具有極高的智能性。是一種理想的通信用整流設(shè)備。