一种新型通信用整流器

摘要：介绍了一种新型通信用整流器的电路组成与技术特点，给出了主电路结构与技术指标。

关键词：整流器；零电压；单端有源箝位

1  引言

    随着电信市场的繁荣，作为通信网络的心脏——电源设备及监控系统越来越处于重要地位，对其要求越来越高。对用户而言，新一代的整流设备应具有以下特点：

    1）高效率；

    2）良好的动态响应；

    3）体积小，重量轻，易携带；

    4）高可靠，易更换；

    5）高功率因数及低EMI；

    6）高智能。

    针对以上要求，西安普声电信有限责任公司开发出新一代开关整流设备。现就其主要部分做一简介。

2  电路组成

    整个电路框图如图1所示。输入电压为单相154～275V 50Hz，通过保护电路，整流电路，功率因数校正电路，得到约为400V的直流电压，送到开关电路。同时，辅助电源从滤波电路之后取出能量。

图1  电路框图

    开关电路将此400V直流电转换成频率约为100kHz,脉宽可调的方波，经过主变压器降压，获得一交流方波序列，再经过输出部分的整流和滤波，得到54.0V的直流电。

    电压和电流误差放大器将从输出部分取出与输出成正比的电压和电流信号，与各自的参考值相比较得出误差信号，送至脉宽调制电路。误差信号决定开关管的占空比，达到稳压作用。

    整机的控制由内置CPU完成。

3  主电路结构

3.1  输入电路

    如图2所示，输入电路采用多级滤波，以满足电磁兼容的要求。在交流电加入的瞬间，主继电器K不会马上闭合，而是延时一段时间之后再动作，以减少浪涌。

图2  交流输入部分

3.2  功率因数校正电路

    整流器效率的高低直接关系到设备的可靠性，体积及重量,提高效率是提高可靠性最积极的办法。典型的整流器是由AC/DC变换器（通常为二极管桥），功率因素校正部分，以及隔离的DC/DC变换器组成。单相应用中为提供功率因数校正，必须使输入电流跟随输入交流电压。常用的拓扑结构有Boost, Buck-Boost,Zeta,Cuk电路。对AC280V输入，Boost电路中最大开关电压为440V,而Buck-Boost, Zeta, Cuk电路中要高得多。过高的开关电压对选择合适的开关器件造成了困难。常用的开关器件有GTR，MOSFET，IGBT。GTR尽管饱和电压低，但开关速度慢。功率MOSFET速度高，但体电阻值大，饱和压降大。IGBT相对功率MOSFET有较低的开通电压降，由于存在电流拖尾现象，开关损耗大，不适于高频（100kHz左右）使用。综合考虑，选择功率MOSFET为开关器件与Boost电路作为功率因数校正电路是较合适的。同时由于升压（Boost）电路输出电压总是高于输入电压的，对电压波动较大的地区，采用Boost电路进行电压预稳是十分理想的。

    如图3所示，功率因数校正(PFC)电路的主要元器件是升压扼流圈，升压二极管以及开关管。其基本原理是:当开关管导通时，电流流过升压扼流圈和开关管，把能量储存于升压扼流圈；当开关管断开时，升压扼流圈贮存的能量则试图保持电流流通，使开关管漏极电压迅速升高。这一电压一旦超过了贮能电容上的电压，电流就流过二极管，从而把贮存的能量从升压扼流圈转移到C1。为提高PFC的变换效率以及降低电磁干扰，采用零电压PFC电路。

图3  PFC电路原理

3.3  主变换电路

    DC/DC变换，常用的拓扑结构有全桥结构，双正激结构。全桥结构输出功率大，变压器利用率高，但存在着变压器偏磁以及功率管直通的隐患。双正激结构由于不存在直通问题，具有较高的可靠性而倍受关注，是一种大力推崇的电路结构，但存在变压器利用率低的问题。

    为提高效率，新型整流器中使用了单端有源箝位，零电压开关技术。单端有源箝位电路中利用有源器件对常规的单端正激变压器进行复位，使变压器工作于一、三象限，提高了变压器利用率。同时由于是单端线路，避免了开关器件的直通问题，保证了整机的高可靠性。开关管工作于零电压状态开关大大降低了开关器件的开关损耗，同时也降低了电磁干扰。主变换电路如图4所示。

图4  主变换电路

3.4  电源模块的参数

    输入电压    额定电压    220V 50Hz

               工作电压    150～280V

    输出电压    均充    56.4V

                浮充    54.0V（可调节）

    限流保护    55A（可调）

    欠压告警    47V

    电压调整率    优于0.1％

    负载调整率    优于0.5％

    峰-峰值纹波电压    <150mV

    功率因数    >0.99

    效率    >90％

    体积    133mm×245mm×350mm

4  电路设计特色

    该整流器采用了高效率设计，发热量大大减小，同时设计了专门的风道，使用高性能温控无刷直流风扇强制风冷，保证了整机较低的温升。同时CPU检测到散热器温升超过设定值时使输出限流点下降。除此之外还具备短路、过压，过热，伏秒积保护，风扇失败等保护功能。

    该整流器交流输入，直流输出均带有高性能液压电磁断路器，一方面可用作输入、输出过流保护，另一方面在系统使用中，可方便地将某一单元切出、投入，易于更换，而不影响系统稳定性。

    整流器中，内置CPU统一完成整机的控制，具有极高的智能性。

    整流器的均充电压，浮充电压，输出限流点，高压告警点，过压保护点均可由面板设定并由液晶显示。此外CPU完成对均充，浮充，测试状态，开关机控制。

    可在液晶显示器上显示输出电压、电流值，软件版本号，模块地址码，输入交流电压，散热器温度等信息。此外独具测试功能，使用该功能，可方便测试机架中每一单元的保护功能及保护值而不破坏系统的运行。可利用通信接口与上位机进行通信，并具有遥控均充，关机功能。

    多机并联后配合交直流屏可构成一完备的机架系统。机架中模块是并联均流运行的，合理的均流电路有利于系统可靠性的提高。均流电路将若干个模块输出电流进行比较，并自动确立一台为主，其余的模块则自动跟踪这台模块，使模块处于电流均分状态。如果非主用模块出现故障，它会自动退出系统；如果主用模块出现故障，它会首先退出系统，然后在剩下的模块中自动确立一台作为主用，其余的模块再与之比较。这种方式可自动选定主用模块，任何一个模块出现故障都不会影响系统工作。均流电路由模块内部硬件实现，与系统监控器无关，如果关掉甚至拆掉监控器，系统仍可均流工作，提高了系统的可靠性。

    机架系统可接入两路市电，可对两组蓄电池充电。系统控制器采用大屏幕液晶汉字菜单操作方式，可监控交流市电的电压、电流、频率、机架的输出电流、蓄电池充电电流、主要分路电流，具有完备的三遥功能。系统具有极高智能性。

5  结语

    由于采用新的技术与器件，整流器达到了较高的技术指标。其效率>90％，输入电压范围宽达150～280V，峰-峰值纹波电压<150mV，功率因数>0.99。内置CPU使其具有极高的智能性。是一种理想的通信用整流设备。