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智能高频开关电源的整流模块设计方案

发布时间：2012-02-02

中心议题：
  • 基于开关电源的?？榈纳杓?/strong>
解决方案：
  • 采用双管正激式DC/ DC 变换器
  • 利用无源PFC 电路的原理， 改善电路中电流的畸变
  • 外加DC/ DC 变换器抑制电网侧谐波电流噪声

引 言

随 着我国科技生产水平的不断提高，各行各业对供电质量的要求越来越高，而智能高频开关电源作为一种继电保护装置和控制回路装置，为生活和生产中的供电的可靠 性提供了有力的保障。当市电供电中断时还可以作为后备电源，所以说智能高频开关电源是对供电质量保证的重要组成部分之一。它具有高度灵活组合、自主监控的 特点，另外可靠性强、稳定性好且具有体积小、噪声低、节能高效、维护方便等也是它的一大优点。

可以说智能高频开关电源是一种集计算机技术、控制技术、通信技术于一体的高科技产品，可实现系统的自动诊断、自动测试和自动控制。本文主要阐述的是智能高频开关电源的整流模块的设计方案。

1 系统总体结构介绍

智 能高频开关电源系统的总体结构主要由主监控单元、配电?？?、交流配电单元、整流模块等组成， 系统总体的结构图如图1 所示。系统中的各个监控单元受主监控单元的管理和控制，通过通信线将各个监控单元采集的信息送给主监控统一管理。主监控显示直流系统各种信息，用户也可以 触摸显示屏查询信息及操作，系统信息还可以接入到远程监控系统中。系统除了交流监控、直流监控、开关量监控等基础单位外，还配置了绝缘监测、降压装置、电 池巡检等功能单元，以达到对直流系统进行全面监控的目的。

图1 系统控制原理图

工作时两路市电 （交流） 经过交流切换装置输入一路交流， 给各个整流模块供电。整流?？榻淙肴嘟涣鞯缱晃绷鞯?，给备用电源（蓄电池） 充电， 同时也给合闸母线负载供电，另外合闸母线通过降压装置给控制母线供电。所以说本文设计的整流?？槭墙骱统涞缌较罟δ芙岷嫌谝惶宓囊恢中滦偷恼髂？椤?br />
2 整流?？榈纳杓?/strong>

整流?？槭侵悄芨咂悼氐缭聪低持械囊桓鲋匾糠?，关系到系统的直流电压输出和工作时电压输出的稳定状况。本文的设计主要是对?？檎髟淼母慕屯晟?， 利用无源PFC 和DC/ DC 变换器的原理， 使得改进后的?？槟芄挥行瓿烧髯饔谩?br />
本 文设计的整流?？榈墓ぷ髟砜蛲既缤? 所示，工作时， ?？槭紫韧ü览状砗吐瞬ǘ允淙氲娜嘟涣鹘写?，这样才能保证模块后级电路的安全； 经过处理后的三相交流经过整流和无源PFC 后转换成高压直流时，这时转换的高压直流要经过DC/DC变换器再次转换成可变的直流电压输出； 另外?？榭刂撇糠只褂懈涸鸸?、过流以及短路保护等作用，这样才能保证输出电压的稳定， 也同时能对?？楦鞑考斜；ぁＤ？榛乖谠冻碳嗫刂刑峁┝?四遥 （?？?、遥调、遥测、遥信） 接口。

图2 整流?？榈牡墓ぷ髟硗?/div> [page]
即功率因数校正（ Pow er Factor Correct ion, PFC）是指有效功率与总耗电量（ 视在功率） 之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量（ 视在功率） 的比值。无源PFC 是指不使用晶体管等一些有源器件组成的校正电路，一般情况下由二极管、电阻、电容和电感等无源器材组成。本文的PFC 主要是在整流桥堆和滤波电容之间加1 个电感， 具体原理如图3 所示，利用电感上的电流不能突变的特性来平滑电容充电强脉冲的波动，改善电路中电流的畸变，并且利用电感上的电压超前于电流这一特性来补偿滤波电容电流超 前电压的特性， 使功率因数和电磁干扰都得以改善。

这种方式只是一种简单的补偿措施， 只能做到抑制电流瞬时突变的目的， 但电流畸变的校正及功率因数的补偿能力都很差 。

DC/ DC 变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，这种控制具有加速平稳、快速响应的性能，同时可以收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约20% ~ 30%的电能。直流斩波器不仅能起到调压作用， 还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。

图3 无源PFC原理图

本 文的DC/ DC 变换器采用双管正激式DC/ DC 变换器， 它的原理如图4 所示， 变压器T 1 起隔离和变压的作用，在输出端要加一个电感器L o （ 续流电感） 起能量的储存及传递作用， 变压器初级无再有复位绕组， 因为VD1 , VD2 的导通限制了两个调整管关断时所承受的电压。输出回路需有一个整流二极管VD3 和一个续流二极管VD4 （ VD3 , VD4 最好均选用恢复时间快的整流管） 。输出滤波电容CO 应选择低、大容量的电容， 这样有利于降低纹波电压。双管正激式DC/ DC 变换器的工作特点如下：

（1） 在任何工作条件下， 为使两个开关管所承受的电压不会超过UIN , Ud （ UIN 为输入电压； Ud 为VD1 ,VD2 的正向压降） , VD1 , VD2 必须是快恢复管， 其在实际设计和调试中恢复时间越短越好。

（2） 与单端正激式DC/ DC 变换器相比， 它无须复位电路， 这有利于简化电路和变压器的设计； 它的功率器件可选择较低的耐压值；它功率等级也会很大。

（3） 两个开关管的工作状态一致， 会同时处于通态或断态。所以使用在智能高频开关电源这样大功率等级电源中比较适合。

图4 双管正激式DC/DC变换器的电路图

平 滑滤波原理： 整流电路将交流电变为脉动直流电， 但其中含有大量的交流成分（ 称为纹波电压） 。为了获得平滑的直流电压，应在整流电路的后面加接滤波电路， 以滤去交流部分。此时在桥式整流电路输出端与负载之间并联一个大电容，采用电容滤波后使二极管得到的时间缩短， 由于电容CO 充电的瞬时电流较大， 形成了浪涌电流， 容易损坏二极管， 故在选择二极管时，必须留有足够的电流裕量， 以免烧坏。

3 整流?？榈墓δ芙樯?/strong>

整流?？槌四芙淙氲慕涣鳎?80 V、50 Hz） 变换成额定的直流输出（5A/ 230 V） 之外， 还具有?；すδ芎蜕柚霉δ?，现将?？榈谋；すδ芎蜕柚霉δ芙樯苋缦拢?br />
3. 1 ?；すδ芙樯?/strong>

（1） 输出过压?；ぁＪ涑龅缪构呋岫杂玫缟璞冈斐芍卮笫鹿?， 为杜绝此类事故的发生， 在?？槟诓可栌泄贡；さ缏罚背鱿止购竽？樽远?， 同时?？榈墓收现甘镜屏?， ?？樽远顺龉ぷ髯刺?， 从而不会影响到整个系统的正常运行。

（2） 输出限流?；?。因为每个整流?？榈氖涑龉β适艿较拗疲?输出的电流不能过大。因此，对每个模块的输出电流最大限制为额定输出电流的1. 2 倍， 如果超出负载， ?？樽远鞯褪涑龅缪挂源锏奖；つ？榈墓δ堋?br />
（3） 短路?；ぁＵ髂？榈氖涑鎏匦匀缤? 所示，输出短路时?？樵谒布浒咽涑龅缪估偷搅悖?限制短路电流在限流点之下，此时?？槭涑龉β屎苄?， 以达到?；つ？榈哪康?， 这样?？槌て诳梢猿て诠ぷ髟诙搪纷刺恢劣谒鸹担钡惫收吓懦竽？榭梢宰远指垂ぷ?。

图5 整流?？槭涑鎏匦?/div> [page]
（4） ?？椴⒘；?。每个模块内部均有并联?；さ缏罚?可以保证?？榉⑸收鲜弊远顺鱿低?，从而不影响其他正常?？榈墓ぷ?。?？椴⒘涑鍪疽馔既缤?所示。

图6 ?？椴⒘涑鍪疽馔?/div>
（5） 过温?；?。?？榈墓卤；ぶ饕潜；ご蠊β时淞髌骷?这些器件的结温和电流过载能力均有安全极限值， 正常工作的情况下，系统设计留有足够余量， 但在一些特殊条件下， 如环境温度过高、风机停转灯情况下， ?？榧觳馍⑷绕魑露瘸欢ㄖ凳?， 就会自动关机?；?，当温度降低到能够正常工作的温度值时模块才自动启动。

（6） 过流?；?。过流?；ぶ饕潜；ご蠊β时淞髌骷?， 在变流的每一个周期， 如果通过的电流超过器件承受的电流， ?？榫突峁乇展β势骷?，以达到?；すβ势骷哪康?。

3. 2 调节功能介绍

（1） 电压调节功能。?？榈牡缪沟鹘谥饕侵甘涑龅缪沟牡鹘冢?在?？榈氖涑龆松栌械缪沟鹘诘缥黄鳎蹦？楹图嗫氐ピ嗔邮保涑龅缪挂部梢杂杉嗫叵低成瓒?， 这时电位器调节无效。

（2） 测量功能。?？榈牟饬抗δ苤饕遣饬磕？榈氖涑龅缪购偷缌饕约澳？榈墓ぷ髯刺?， 并通过LCD 显示，可以使用户直观方便的了解模块和系统的工作状态。

（3） ?？毓δ?。?？兀?控制模块的开/ 关机状态， 以及备用电源（ 蓄电池） 的均/ 浮充状态； 遥调：对输出电压和输出电流的调节控制； 遥测： 可以在?？楣ぷ魇辈饬渴涑龅缌骱褪涑龅缪沟闹?； 遥信： 通过远程监控监测?？榈墓ぷ髯刺?br />
4 结 语

本 文主要对智能高频开关电源系统中的整流?？榻械纳杓朴胙芯?， 利用无源PFC 电路的原理， 改善电路中电流的畸变， 外加DC/ DC 变换器抑制电网侧谐波电流噪声， 体现了智能高频开关电源系统中整流?？榈挠诺?，适用于铁路、矿山等变电场所。该系统虽然能够准确的进行交流变换， 但是在对备用电源充电时的均匀性方面都比较弱， 同时成本也比较高，同时在防雷滤波方面的改进也不是很完善， 所以还要在这些方面进一步的改善和提高。

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