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，給出了主電路結(jié)構(gòu)與技術(shù)指標。

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，對其要求越來越高。對用戶而言，新一代的整流設(shè)備應(yīng)具有以下特點：

1）高效率；

2）良好的動態(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?，F(xiàn)就其主要部分做一簡介。

2 電路組成

整個電路框圖如圖1所示。輸入電壓為單相154～275V 50Hz，通過保護電路，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，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，與各自的參考值相比較得出誤差信號，送至脈寬調(diào)制電路。誤差信號決定開關(guān)管的占空比，達到穩(wěn)壓作用。

整機的控制由內(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不會馬上閉合，而是延時一段時間之后再動作，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。常用的拓撲結(jié)構(gòu)有Boost, Buck-Boost,Zeta,Cuk電路。對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。同時由于升壓（Boost）電路輸出電壓總是高于輸入電壓的，對電壓波動較大的地區(qū)，采用Boost電路進行電壓預(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，電流流過升壓扼流圈和開關(guān)管，把能量儲存于升壓扼流圈；當(dāng)開關(guān)管斷開時，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，常用的拓撲結(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常規(guī)的單端正激變壓器進行復(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 55A（可調(diào)）

欠壓告警 47V

電壓調(diào)整率 優(yōu)于0.1％

負載調(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)計特色

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

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，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，高壓告警點，過壓保護點均可由面板設(shè)定并由液晶顯示。此外CPU完成對均充，浮充，測試狀態(tài)，開關(guān)機控制。

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

多機并聯(lián)后配合交直流屏可構(gòu)成一完備的機架系統(tǒng)。機架中模塊是并聯(lián)均流運行的，合理的均流電路有利于系統(tǒng)可靠性的提高。均流電路將若干個模塊輸出電流進行比較，并自動確立一臺為主，其余的模塊則自動跟蹤這臺模塊，使模塊處于電流均分狀態(tài)。如果非主用模塊出現(xiàn)故障，它會自動退出系統(tǒng)；如果主用模塊出現(xiàn)故障，它會首先退出系統(tǒng)，然后在剩下的模塊中自動確立一臺作為主用，其余的模塊再與之比較。這種方式可自動選定主用模塊，任何一個模塊出現(xiàn)故障都不會影響系統(tǒng)工作。均流電路由模塊內(nèi)部硬件實現(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。

機架系統(tǒng)可接入兩路市電，可對兩組蓄電池充電。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，整流器達到了較高的技術(shù)指標。其效率>90％，輸入電壓范圍寬達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。