开关通信电源概述

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1、目 录论文摘要1第一章 概述4 1.1 课题背景4 1.2 48V/100A开关整流模块的整体构造6第二章 输入级与PFC电路的设计8 2.1 系统输入级的构成及设计8 2.2 48V/100A模块的PFC电路设计11 2.2.1 功率因数校正装置简介11 2.2.2 PFC主电路的设计13 2.2.3 PFC控制电路的原理及设计18第三章 全桥DC-DC变换器的设计25 3.1 全桥DC-DC变换器的工作原理及控制措施25 3.3.1 全桥DC-DC变换器的工作原理25 3.3.2 全桥DC-DC变换器的控制方略26 3.3.3 全桥DC-DC变换器的软开关29 3.2 采用相位延迟控制方式

2、的控制器原理及设计33 3.2.1 TL494的构造及原理33 3.2.2 TL494的外围电路设计35 3.2.3 信号延迟电路的原理与设计39 3.3 ZVZCS全桥变换器主电路的工作原理及设计42 3.3.1 电路的直流稳态分析43 3.3.2 主电路各部分元器件的选择48 3.4 系统保护电路53 3.4.1 输出过压保护53 3.4.2 输出过流保护54 3.4.3 超温保护55 3.4.4. 其她故障信号的解决56第四章 辅助电源的设计57 4.1 电流型控制芯片UC3842简介57 4.2 UC3842控制的反激式变换器设计58第五章 实验成果62第六章 结论68参照文献70论文

3、摘要本文简介了48V/100A开关通信电源的构造、原理、及设计过程等。整个电源由输入电路、功率因数校正器、主逆变器、输出滤波电路电路、辅助电源、均流电路等部分构成。文中对单相功率校正器的原理进行了论述,并提出了实用的控制器参数选择措施。该措施基于老式控制理论,但根据工程实际进行了简化,系统运营稳定、可靠。由于采用了低损耗的无源吸取电路,减少了开关管的关断损耗。通过对全桥直-直变换器的控制方略的分类,提出了一种新型的控制措施“相位延迟控制”。运用在变压器次边加入的简朴LCD辅助电路,滞后臂实现了零电流开关。本文设计的开关整流模块具有多种保护措施,如过压、过流、超温、直流欠压等。针对不同的状况分别

4、采用软启动、封锁输出脉冲、切断输入电压等不同方式,使得系统的可靠性更高。各个模块之间通过UC3907实现主从方式负载均流,从而可以以便地实现系统扩容,同步也增长了系统的冗余度。由于模块工作于高频开关状态,系统具有体积小、重量轻、可靠性高、负载分担容易等一系列长处。核心字:开关通信电源;功率因数校正;全桥直-直变换器;相位延迟控制Abstract This paper presents the structure, the principle and the design of 48V/100A switching mode communication power system.The syst

5、em consists of the AC input stage,single phase PFC,main inverter,output low-pass filter,auxiliary power supply,and load current sharing circuit,etc. The operation principle and practical design method of the PFC stage is introduced. This method is based on the theoritical analysis,but its simplied a

6、ccording to the application.The system is both stable and reliable.A low power loss passive snubber is added to the Boost converter,therefore the switching losses are reduced. By the classification of the typical control method,”phase overlapped control”(POC)is proposed. Low cost,high reliability ar

7、e its advantages.ZCS of the lagging leg is realized by adding a simple LCD circuit to the transformers secondary side. System exceptions,such as over-voltage,over-current,over-temprature,DC under-voltage,etc,are dealt with by carefully disigned protection circuits.These circuits provide various func

8、tions to protect the system,including soft start,drive signals mask,and power supply shut down. By using master-slave load current sharing technich, modules can be parrallzed easily, thus capacity-expansion is very convenient. Because of the high frequency operation, this switching mode power supply

9、 have many advantages:light weight,small physical size,high reliability,etc.Keywords: switching mode power supply;power factor correction;full bridge DC-DC converter; phase overlapped control 第一章 概述1.1 课题背景近几年来,随着国内经济建设的发展,通信设备和通信网点在全国各地迅速增长,通信手段越来越先进。在多种程控数字互换设备和数字传播网得到广泛应用的同步,对系统供电设施的规定也越来越高。目前,国内

10、的各类程控电源已相继投入市场,通信电源系统正在逐渐向集中监控、少人职守或无人职守的方向发展1。初期的供电方式为集中供电,即供电设备集中和供电负载集中。这种方式的长处是:整流器、蓄电池、监控和配电设备都集中放置在配电室,多种电压的电池组都放置在电池室,因而供电容量大,且不必考虑电池兼容问题,供电设备的干扰也不会影响主通信设备。但是此种方式也有诸多缺陷:设备体积和重量较大,供电线路笨重,系统扩容困难。为改善这些局限性,分散供电方式逐渐得到广泛的使用。所谓分散供电,就是指供电设备有独立于其她供电设备的负载,即负载分散或电池与负载都分散。此种方式的长处涉及:占地面积小,节省材料,较低的损耗,运营维护费

11、用低,供电可靠性高等等。无论哪种方式供电,程控数字互换设备一般都以直流电源供电为主。直流电源又由基本电源和机架电源构成。基本电源是指涉及整流器、蓄电池、监控和配电设备在内的直流供电系统。机架电源则是指互换机上的插件电源。对于基本电源来讲,为产生所需要的多种直流电压(一般为-48V,也有少量采用-24V),都需要将工频电网的单相220V或三相380V交流电压进行AC/DC和DC/DC变换。因此,变换器性能的好坏直接关系到整个通信电源系统的供电质量。老式的变换器一般都采用工频变压器加相控整流器来完毕电气隔离和电压变换任务,系统庞大而笨重,效率和功率因数也很低。以开关方式工作的电源最早出目前60年代

12、,1974年研制成了工作频率达到20kHz的开关电源,开创了电源历史上一种崭新的里程碑。1976年,美国硅通用公司初次生产出世界上第一片集成脉宽调制器,使开关电源的控制器得到简化,系统的可靠性也大为增强。目前,由于器件水平、新型材料以及先进电路构造的不断浮现,开关电源的工作频率已经达到了MHz以上,功率密度已超过了100W/立方英寸,满负荷效率不小于90%。开关电源逐渐被广泛应用于生产生活的各个领域。开关电源的长处涉及:体积小,重量轻,无噪声,效率和功率因数高,负载易分担等2。而这些正是通信系统所需要的。如果采用分散供电系统,开关电源的这些长处就更为明显。图1.1表达了一种采用PWM开关整流模

13、块构成的分散供电系统框图,从图中可以看出,通过多种开关整流模块的并联,系统具有更高的可靠性和冗余度,扩容也更为便利。图1.1通信电源系统供电简图本课题“48V/100A开关整流模块的研制”属于铁道部科研项目“铁路通信电源”的一部分,重要目的就是研制出一种先进,实用,可靠性高的开关整流模块,以适应目前通信电源系统的发展趋势以及对系统提出的多种规定。1.2 48V/100A开关整流模块的整体构造从图1.1可知,开关整流模块是一种通信电源系统的核心构成部分,其构造应考虑到功能、技术指标、成本等多方面因素。一般状况下,典型的PWM开关整流模块都采用两级构造,如图1.2所示,处在系统前端的是AC/DC变

14、换器,后接一种DC/DC变换器。AC/DC变换将单相220V或三相380V交流市电转换为直流电,而DC/DC变换将此直流电压再转换为48V或所规定的直流电压。图1.2 PWM开关整流模块构造简图 一次整流涉及系统的输入电路、抗EMI电路、全桥整流器等,重要完毕交流电网电压的整流功能,同步抗EMI电路还可以有效地避免系统产生的高频噪声窜入电网,减少了对电网的污染。 功率因数校正装置作为系统的预调节器,一方面将整流后脉动的直流电压升压、滤波为平滑的直流电,另一方面可以使电网侧的电流波形跟踪电压波形,从而获得近似为1的功率因数。 PWM逆变器把功率因数校正器产生的直流电压变换为高频方波(交流)。由于

15、变换器的工作频率远高于工频(50或60赫兹),与老式的相控整流装置相比,变压器、输出滤波器的体积和重量都大为减小。 高频变压器完毕系统的电压变换和电气隔离两个目的。二次整流、滤波重要是将高频变压器次边的交变方波经整流、滤波后产生系统最后规定的直流电压。辅助电源为整流模块的控制电路、多种传感器、微机监控系统等提供彼此隔离的直流电压。PFC控制电路重要用来控制升压斩波器的开关管的通断,从而使得电网的电流波形与电压波形保持一致。逆变器的控制电路用来控制变换器工作时的占空比,使系统在不同负载时能维持输出电压的稳定。 本课题研制的48V/100A模块采用的整体构造与图1.2中所描述的基本相似,系统采用220V单相交流输入,通过单相功率因数校正装置后产生400V直流电压。考虑到模块解决的功率较大,主逆变器为全桥构造。变压器次边为中间抽头式,后接全波整流电路以减小导通损耗。PFC部分的控制方式是平均电流控制,全

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