一次电源或二次电源,无一例外地都是采用高频开关直流电源。通信电源作为高频开关 直流电源的一个典型,发展到今天已经有十多年历史了。十多年来,采用高频开关直流电源 的通信电源,它的发展趋势,可概括为:高频化、高效率、无污染、模块化。
1.高频化——是缩小电源体积重量、提高功率密度的重要技术途径;高频化又是提高电 源动态品质的重委保证。小功率DC/DC直流二次电源,开关频率将达到1兆赫或更高。功率密 度也将由现在的每立方英寸50W提高到100w以上。
2.高效率——作为电源,效率是重要的指标之一。效率高,发热损耗小,散热容易,才 容易做到高功率密度。
高频化的结果使开关损耗显著增加。因此,80年代后期以来,软开关变换技术的研究, 始终是电源技术研究的热门课题。80年代后期,美国弗基尼亚电力电子研究中心应用谐振软 开关技术成功地制造出了兆赫级开关频率、功率密度为50瓦/英寸3的开关电源。这种电路结 构,在较大功率输出时,又表现出不足。因为功率器件开关损耗极小(理论上为零),但是 谐报电流很大,引起导通损耗增加,由此效率并未能提高。由于谐报电压也较大,线路中LC 元件并不能由于频率提高而明显减小体积。又因为采用调频控制输出的大小,输出谐波频谱 随控制而改变,这给输出滤波设计带来困难,因此不得不在最坏的情况下(即工作频率最低 时)设计滤波器,结果体积常常偏大。
针对谐振变换软开关技术存在的不足,在90年代初,美国弗基尼亚电力电子研究中心主 任李泽元教授提出了“软开关P.W.M”概念,即功率开关器件只是在开关转换前后的一个小 区间与线路外加 LC元件工作在谐振状态,以构成电压或电流的过零点来实现功率器件的软开 关,在开关全周期仍工作在P.W.M模式。由于“开通”、“关断”都是零电压,因此又称 “零电压转换”(ZVT,Zero VoltageTransition)。这种电路结构在高频电能变换中,即组 成各种高频开关电源中,将得到广泛应用。
软开关技术理论上可使开关损耗为零;实际上,可使目前的各种电源模块的变换效率由 80%提高到90%以上,达到了高频率、高效率的功率变换。
3.无污染——一电力电子装置和电源的大量广泛应用,使输入电流中的谐波显著增加, 功率因数显著降低,使供电网受到污染。开关电源的输入端常常是二极管整流一电容滤波的 组合电路,其输入电流波形呈尖脉冲状,交流侧功率因数只有0.6-0.7。
为了限制电器设备对电网发射谐波电流,国际上已经制订了许多标准,如针对中小功率 电器设备的IEC555-2,适用于大功率电器设备的IEC1000-3-2等。
提高AC-DC(高频开关整流电源)开关电源的输入端功率因数,可用有源或无源功率因 数校正(PFC)技术。无源校正技术简单,即应用LC滤波网络,可以满足IEC1000-3-2标准, 功率因数可以达到0.92以上,只不过滤波网络体积重量较大。有源校正技术是在输入整流和 DC-DC功率变换之间加一级有源功率因数校正(APFC)电路,实际上也是一种DC-DC变换器, 利用控制电路(现在有专用集成控制芯片),使输入端电流波形接近正弦并保持与电压同相, 从而使输入端功率团数接近于1,电路成本约增加 20%。据报道,国外已将软开关技术应用 于APFC有源校正,采用单相Boost主电路应用IGBT功率器件,用本电压转换(ZVT)PWM技术, 工作频率100KHZ,功率1KW,交流输入电压180-260V,效率达到了97%。
现在国内正在研究开发单级高功率因数电路,即APFC电路和开关电源只用一级主电路构 成。成本只增5% 于计首先在小功事AC-DC开关电源上实现。
实现三相有源PFC要比实现单相的APFC,困难得多。现在已提出了多种方案,但只有理论 分析和某些实验结果,成熟的商品还很少。
4.模块化—一以适应分布式电源系统供电的需要。过去功率不大时,电源均是采用单一 集中的供电方式。近年来均是采用分布式供电。这是由于:
(1)分布式供电,具有节能、高效经济、维护方便、可靠性高的优点。
(2)适用于低传输损耗,超高速型集成电路低电压电源(2.2V、3.3V)的供电要求。
(3)当需要大功率输出时,可采用小功率电源模块、大规模控制集成电路做基本部件, 组成积木式智能化大功率供电电源。这样做带来的好处是:①极大地减轻了对大功率元器件 的研制压力;②减轻了对大功率电源装置的研制压力。
(4)联系到通信系统供电的实际,分布供电就是将大型的通信局(站)的通信设备分 割成几部分,每一部分将由一套容量最为合适的电源设备供电,不仅使电源设备工作安全性 提高,而且把电源设备故障的影响限制在一定范围内。分布式供电,使电力室至通信设备机 房的馈电线由直流48V改为交流220V,提高了馈线送电效率。分布式供电也分散了蓄电池室, 使每一蓄电池室降低了供电负荷,提高了蓄电池组工作的安全性。分布式供电缩短了蓄电池 室和通信设备机房之间的距离,大幅度减少了直流送电的损耗。
可以预见,在相当长一段时期,信息产业仍将成为国民经济增长的焦点,这也是推动开 关电源发展的重要动力。