高頻開關(guān)電源在微波站的應(yīng)用

摘要：通信電源是構(gòu)成各種通信手段必不可少的組成部分，對確保通信質(zhì)量具有重要影響，高頻開關(guān)電源取代相控電源，是通信電源的一次革命。高頻開關(guān)電源采用全模塊組件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)功能齊全，體積小，安全性、可靠性高。在此重點(diǎn)分析了高頻開關(guān)電源的組成、原理、特點(diǎn)、分類以及POWEC高頻諧振式開關(guān)電源的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：高頻開關(guān)電源；諧振式；安全性；可靠性

0 引言
    隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，開關(guān)電源的應(yīng)用越來越廣，開關(guān)頻率的持續(xù)提高使開關(guān)電源的性能也得以進(jìn)一步優(yōu)化，集成度更高，功耗更低，電路更加簡單，工作更加可靠，是開關(guān)電源發(fā)展的方向。目前，高頻開關(guān)電源在我省廣播電視各微波站得到了廣泛的應(yīng)用，我站現(xiàn)采用廣州基仕域通訊有限公司生產(chǎn)的技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量可靠的挪威POWEC諧振式高頻開關(guān)電源。

1 高頻開關(guān)電源的組成

1．1 主電路
    從交流電網(wǎng)輸入、直流輸出的全過程，包括：
    (1)輸入濾波器：其作用是將電網(wǎng)存在的雜波過濾，同時也阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋到公共電網(wǎng)。
    (2)整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電，并向功率因數(shù)校正電路提供穩(wěn)定的直流電源。
    (3)功率因數(shù)校正：位于整流濾波和逆變之間，為了消除由整流電路引起的諧波電流污染電網(wǎng)和減小無功損耗來提升功率因數(shù)。
    (4)逆變：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關(guān)電源的核心部分，頻率越高，體積、重量與輸出功率之比越小。
    (5)輸出整流與濾波：根據(jù)負(fù)載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。
1．2 控制電路
    一方面從輸出端取樣，經(jīng)與設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，然后去控制逆變器，改變其頻率或脈寬，達(dá)到輸出穩(wěn)定，另一方面，根據(jù)測試電路提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)保護(hù)電路鑒別，提供控制電路對整機(jī)進(jìn)行各種保護(hù)措施。
1．3 檢測電路
    除了提供保護(hù)電路中正在運(yùn)行中各種參數(shù)外，還提供各種顯示儀表數(shù)據(jù)供值班人員觀察、記錄。
1．4 輔助電源
    提供開關(guān)整流器本身所有電路工作所需的各種不同要求的電源(交直流各種等級的電壓電源)。[!--empirenews.page--]

2 高頻開關(guān)控制穩(wěn)壓原理

    開關(guān)K以一定的時間間隔重復(fù)地接通和斷開，在開關(guān)K接通時，輸入電源E通過開關(guān)K和濾波電路提供給負(fù)載RL，在整個開關(guān)接通期問，電源E向負(fù)載RL提供能量；當(dāng)開關(guān)K斷開時，輸入電源E便中斷了能量的提供?？梢?，輸入電源向負(fù)載提供能量是斷續(xù)的，為使負(fù)載能得到連續(xù)的能量提供，開關(guān)穩(wěn)壓電源必須要有一套儲能裝置，在開關(guān)接通時將一部分能量儲存起來，在開關(guān)斷開時，向負(fù)載釋放。圖2中，由電感L、電容C2和二極管D組成的電路，就具有這種功能。電感L用以儲存能量，在開關(guān)斷開時，儲存在電感L中的能量通過二極管D釋放給負(fù)載，使負(fù)載得到連續(xù)而穩(wěn)定的能量，因二極管D使負(fù)載電流連續(xù)不斷，所以稱為續(xù)流二極管。在AB間的電壓平均值EAB可用下式表示：
   
    式中TON為開關(guān)每次接通的時間，T為開關(guān)通斷的工作周期(即開關(guān)接通時間TON和關(guān)斷時間TOFF之和)。由式可知，改變開關(guān)接通時間和工作周期的比例，AB間電壓的平均值也隨之改變，因此，隨著負(fù)載及輸入電源電壓的變化自動調(diào)整TON和T的比例便能使輸出電壓V0維持不變。改變接通時間TON和工作周期比例亦即改變脈沖的占空比，這種方法稱為“時間比率控制”(Time Ratio Control，縮寫：為TRC)。
    按TRC控制原理，有三種方式
    (1)脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，縮寫為PWM)，開關(guān)周期恒定，通過改變脈沖寬度來改變占空比的方式。
    (2)脈沖頻率調(diào)制(Pulse Frequency Modulation，縮寫為PFM)，導(dǎo)通脈沖寬度恒定，通過改變開關(guān)工作頻率來改變占空比的方式。
    (3)混合調(diào)制，導(dǎo)通脈沖寬度和開關(guān)工作頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它是以上二種方式的混合。

3 高頻開關(guān)電源的特點(diǎn)
    (1)重量輕，體積小，采用高頻技術(shù)，去掉了工頻變壓器，與相控整流器相比較，在輸出同等功率的情況下，開關(guān)整流器的體積和重量只是相控整流器的1／10。
    (2)功耗小，效率高，開關(guān)電源采用的功率器件一般功耗較小，帶功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)拈_關(guān)電源其整機(jī)效率可達(dá)88％，較好的可做到91％以上。
    (3)功率因數(shù)高，相控整流器的功率因數(shù)隨可控硅導(dǎo)通角的變化而變化，一般在全導(dǎo)通時，可接近0．7以上，而小負(fù)載時，僅為0．3左右。經(jīng)過校正的開磁電源功率因數(shù)一般在0．93以上，并目基本不受負(fù)載變化的影響(對20％以上負(fù)載)。
    (4)穩(wěn)壓精度可高達(dá)0．2％(相控1％)。
    (5)噪音低，在相控整流設(shè)備中，工頻變壓器及濾波電感工作時產(chǎn)生的可聞噪聲較大，一般大于60 dB。而開關(guān)電源在無風(fēng)扇的情況下可聞噪聲僅為45 dB左右。
    (6)維護(hù)方便，因?yàn)殚_關(guān)電源是模塊式的，可以在運(yùn)行中更換，不影響工作(相控電源需停機(jī)處理)。
    (7)實(shí)行N+1配套，可靠性高。穩(wěn)定、可靠，長壽命，采用N+1冗余配置。
    (8)擴(kuò)容方便。
    (9)可由微機(jī)控制，遠(yuǎn)端接口，組成智能化電源設(shè)備，便于集中監(jiān)控。
    (10)對交流輸入要求低，在三相嚴(yán)重不平衡時，整流系統(tǒng)仍能輸出，提供穩(wěn)定的直流電。[!--empirenews.page--]

4 高頻開關(guān)電源的分類
    (1)按激勵方式可分為：自激式和他激式
    自激式開關(guān)電源在接通電源后功率變換電路就自行產(chǎn)生振蕩，即該電路是靠電路本身的正反饋過程來實(shí)現(xiàn)功率變換的。自激式電路出現(xiàn)最早，它的特點(diǎn)是電路簡單、響應(yīng)速度較快，但開關(guān)頻率變化大，輸出紋波值較大，不易作精確的分析、設(shè)計(jì)，通常只有在小功率的情況下使用，如家電、儀器電源。他激式開關(guān)電源需要外接的激勵信號控制才能使變換電路工作，完成功率變換任務(wù)。他激式開關(guān)電源的特點(diǎn)是開關(guān)頻率恒定，輸出紋波小，但電路較復(fù)雜，造價較高，響應(yīng)速度較慢。
    (2)按開關(guān)電源所用的開關(guān)器件可分為：雙極型晶體管開關(guān)電源、功率MOS管開關(guān)電源、IGBT開關(guān)電源、晶閘管開關(guān)電源等。
    功率MOS管用于開關(guān)頻率100 kHz以上的開關(guān)電源中，晶閘管用于大功率開關(guān)電源中。
    (3)按開關(guān)電源控制方式可分為：脈寬調(diào)制(PWM)開關(guān)電源、脈頻調(diào)制(PFM)開關(guān)電源、混合調(diào)制開關(guān)電源。
    (4)按開關(guān)電源的功率變換電路的結(jié)構(gòu)形式可分為：降壓型、反相型、升壓型和變壓器型。變壓器型中按開關(guān)管輸出電路的形式可分為：單端開關(guān)電源、雙端開關(guān)電源。而單端開關(guān)電源可分為單端正激型、單端反激型。雙端開關(guān)電源又可分為推挽型、半橋型、全橋型。

5 POWEC電源的應(yīng)用
    (1)POWEC電源系統(tǒng)采用零電壓諧振開關(guān)技術(shù)，如圖3所示：

    圖3中C1、C2和L的諧振頻率始終低于Q1、Q2，從而保證開關(guān)管Q1、Q2在零電壓條件下導(dǎo)通，消除了開關(guān)損耗和寄生電容。
    (2)POWEC電源可在惡劣的環(huán)境溫度-25℃～55℃下正常工作，70℃時可工作兩小時。平均無故障時間達(dá)一百萬小時。
    (3)POWEC電源采用控制模塊無關(guān)性的硬件均流方式，即使控制模塊失靈，系統(tǒng)也能保持很好的負(fù)載均分，誤差小于標(biāo)準(zhǔn)電流的5％，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；在電池測量方面，提供電壓測量端口和溫度測量端口；在電池充電方面，除浮充外，還提供三種方式的均充，即手動均充、定時均充和自動均充，以及溫度補(bǔ)償功能和電池限流功能。此外，還提供了輸出過壓、過流保護(hù)、整流模塊溫度過高保護(hù)、可設(shè)定的低電壓切斷裝置保護(hù)電池或負(fù)載。

6 結(jié)束語
    高頻開關(guān)電源是一種模塊化設(shè)計(jì)的可靠性和智能化程度高的電源，其體積小，功耗低，效率高，噪音低，穩(wěn)壓精度高，安全可靠，使用維護(hù)方便，目前已在各微波站得到廣泛應(yīng)用。