1 明显的外在优势
1.1 重量轻、体积小
以目前新颖高频开关整流器为例:一台容量为48V/1200A的高频开关整流器, 同容量相同的相控整流器相比, 总重量仅为相控电源整流器18%, 占用面积仅为相控整流器的25%。
1.2 功率因数高、效率高
由于高频开关整流器主电路采用升压变压作为功率因数校正网络, 使输入电流波形正弦波, 从而可提高功率因数到0.99%左右。而直流功率变换器的控制电路采用多谐零电压控制, 使变换器和下级二极管的开关条件同时最佳化, 可提高效率到0.9以上。上述两项标值是其它整流电源很难做到的。
1.3 可靠性好
高频开关整流器的可靠性好, 其平均无故障工作时间一般大于100000小时, 而相控整流器一般只有8000小时。高频开关电源设备采用模块结构, 如模块发生故障, 可迅速更换, 方便维护, 有的甚至可以做到在供电系统下更换整流模块, 其平均修复时间小于5分钟。
1.4 具有智能化
由于高频开关电源设备都装有监控模块, 这样就使高频开关电源具有高度智能化, 它能实现测量、处理、控制、储存和报告所有系统事件。一般监控模块还能对蓄电池进行放电、温度补偿自动运行管理。通过串行口配调制解调器可以实现远地集中监控, 记录和处理有关数据, 及时发现故障以先进的、集中的、自动化的维护管理方式来管理通信电源设备, 从而提高供电系统的可靠性。实现无人值守。
2 内在的优势、电路的不断更新
2.1 谐振式逆变技术应用与发展
整流器是开关电源系统的心脏, 它的优势直接决定了系统的可靠性。近几年功率电子学发展迅速, 其成果已经大量用于整流器的设计中。其中最引注目的是谐振式逆变器 (DC-DC变换器) 和功率因数校正电路的应用。这两项技术在高频开关整流器中得到了最充分的体现。
PWM边沿谐振技术是近些年来新开发的一种谐振技术, 其最大的特点是开关频率固定。它可在开关管的动作瞬间产生谐振, 使开关管在零电压状态下导通, 这就避免了硬开关状态下的开关损耗。
2.2 功率因素校正电路的应用
增加了功率因素校正电路。功率因素校正电路分为无源和有源两种, 有源功率因素校正电路大多采用升压式PWM电路较大功率的整流器一般采用平均电流模式固定频率PWM控制方法, 功率因素可接近1, 波形换真度小于3%。
2.3 整流器中的均流电路
高频开关电源大多采用模块式, 它的最大优势是可以随意扩容。大功率电源系统需要用若干台开关电源并联, 以满足负载功率的要求, 另外通信电源必须通过并联技术来实现模块备份, 以提高电源系统的可靠性。因此并联技术在供电系统中必不可少, 而并联运行的整流模块间需要采用均流措施, 它是实现大功率电源系统的关键, 用以保证模块间电流应力和热应力的均匀分配, 防止一台或多台模块运行在限流或满载状态, 同时延长电源系统的寿命和平均无故障时间。
2.4 软开关技术
在经过了硬开关PWM (或PFM) 技术和硬开关加吸收网络技术后, 软开关技术得到了广泛应用。这样能够极大地降低开关损耗, 减小功率器件电和热应力, 改善器件工作环境, 降低电磁干扰, 提高功率密度等, 为开关电源实现高效、节能、体积小、重量轻和高可靠性的要求做出了贡献。软开关技术有:谐振技术、准谐振技术、PWM和准谐振相结合的技术。
2.5 监控技术的发展
控制器是系统的核心。它的软硬件决定着其功能的强弱。国内市场最受欢迎的是汉显控制器, 它的操作比较直观, 控制器的显示屏大多采用液晶显示。从功能上讲浮充、均充、热开关机、电池检验等都是通过控制器控制整流器实现的。同时控制器能够监测电网电压和电流, 负载电流、电池电流、整流器故障、分路熔断故障、电池及环境温度、系统电压等信息。控制器还可设置自动询呼功能, 将设备故障等信息直接传给当地维修人员。
2.6 ZVS有源钳位
有源箝位技术历经三代, 第三代有源箝位技术, 其特点是在第二代有源箝位的基础上将磁芯复位时释放出的能量转送至负载, 所以实现了更高的转换效率。采用该技术可以将ZVS软开关、同步整流技术都结合在一起, 因而其实现了高达92%的效率及250W/in3以上的功率密度。
3 全球通信电源技术发展呈现以下几大趋势
3.1 高效率, 高功率密度, 宽的使用环境温度
随着运营商的设备的不断增多, 用电量加剧, 机房面积紧张等客观因素的存在对电源产品提出了高效率, 高功率密度, 宽的使用环境温度的要求。
3.2 网络化智能化的监控管理
随着网络的日益发展, 巨大网络设备需要的大量人力、物力投在设备的管理和维护工作, 如:通信设施所处环境越来越复杂, 人烟稀少、交通不便都增大了维护的难度。这对电源设备的监控管理提出了新的需求。
3.3 全数字化控制
数字化技术的发展逐步表现出了传统模拟技术无法实现的优势, 如:采用全数字化控制技术, 有效地缩小电源体积降低了成本, 大大提高了设备的可靠性和对用户的适应性。整个电源的信号采样、处理、控制 (包括电压电流环等) 、通信等均采用DSP技术, 可以获得优化一致的稳定控制参数。在各种电压、温度下优化电源的输出, 如降额保护、PFC数字控制谐波。利用DSP技术可以实现更简单稳定的通信和均流, 可以获得良好的EMC指标。
3.4 安全、防护、EMC
考虑到设备复杂的运行环境, 电源设备需满足相关的安全、防护、防雷标准, 才能保证电源的可靠运行。
3.5 环保
环保的一方面的指标是, 通信电源的电流谐波符合要求。降低电源的输入谐波, 不但可以改善电源对电网的负载特性, 减小给电网带来严重的污染, 也可减少对其他网络设备的谐波干扰。
3.6 小型化
随着通信设备日益集成化、小型化和分散化的发展, 以及势在必行的分散供电的广泛应用, 要求开关电源也相应小型化, 而开关电源工作频率高频化和控制电路集成化, 使开关电源的小型化成为可能。特别是随着小型化开关电源的市场迅速扩大, 如接入网、数据产品、移动基站、无线市话等, 一些小功率模块插件形式的开关电源将应运而生, 大有蓬勃发展之势。
3.7 系统集成技术
在电源集成技术的发展进程中, 已经经历了电力半导体器件模块化, 功率与控制电路的集成化, 集成无源元件 (包括磁集成技术) 等发展阶段。近年来的发展方向是将小功率电源系统集成在一个芯片上, 可以使电源产品更为紧凑, 体积更小, 也减小了引线长度, 从而减小了寄生参数。在此基础上, 可以实现一体化, 所有元器件连同控制保护集成在一个模块中。
总之, 通信用高频开关电源向集成化、小型化方向发展将是未来的主要趋势。
摘要：高频开关电源已和阀控式密封电池已构成新一代的供电设备。铁路、电力、通信系统, 近几年来已开始普及推广使用高频开关电源。为什么高频开关电源会被众多领域的厂家看好, 这于他独特的优势决定的。
关键词：高频开关电源,功率因素,智能化,谐振,均流,软开关,监控,集成,ZVS有源钳位,数字化