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公司新闻 /NEWS

通信高频开关电源的最新发展

作者: 来源: 日期:2021/3/30 9:32:22 人气:1292
通信业的迅速发展极大地推动了通信电源的发展,开关电源在通信系统中处于核心地位,并已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将高频整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC-DC)变换器称为二次电源。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因而需要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,这就对高频开关电源技术 提出了更高的要求。
  1 高频开关电源的应用优势
  (1)体积小,重量轻
  高频变压器取代了传统电源中的大而笨重的工频变压器,使得电源越来越小型化、轻量化。
  (2)工作频率高
  工作频率高,使输出滤波电路可以实现小型化。
  (3)功率因数高
  高频开关电源利用有源功率因数校正电路,功率因数可达0.98以上,而传统电源波形畸变,对电网上的弱电设备有严重的干扰。
  (4)效率高,节省能源
  高频开关电源的效率一般在88~95%,传统电源一般在70%以下。
  (5)动态响应好
  高频开关电源的工作频率高,对负载和电网的动态响应远远优于传统电源。
  (6)纹波小
  高频开关电源的输出纹波一般都比传统电源小。
  (7)噪音低
  高频开关电源的工作频率在人的听觉范围之外,可闻噪音要比传统电源低很多。
  (8)扩容方便
  高频开关电源一般采用模块式结构,维护、扩容比较方便。
  (9)便于采用合理而又灵活的配置
  在现代通信系统中,采用高频开关电源模块时,一般采用N+1供电方式。即在满足设计负荷所需的整流模块基础上,增加一个模块。平时N+1个模块同时供电,电流均分。当其中一个模块出现障碍时,总负荷由其他模块均分,故这种供电方式具有很高的可靠性。
  2 通信高频开关电源技术的最新发展
  通信用高频开关电源技术的最新发展基本上可以体现在几个方面:变换器拓扑、建模与仿真、数字化控制、磁集成以及制造工艺等。
  2.1变换器拓扑
  软开关技术、功率因数校正技术及多电平技术是近年来变换器拓扑方面的热点。采用软开关技术可以有效的降低开关损耗和开关应力,有助于变换器效率的提高;采用PFC技术可以提高AC/DC变换器的输入功率因数,减少对电网的谐波污染;而多电平技术主要应用在通信电源三相输入变换器中,可以有效降低开关管的电压应力。同时由于输入电压高,采用适当的软开关技术以降低开关损耗,是多电平技术将来的重要研究方向。
  为了降低变换器的体积,需要提高开关频率而实现高的功率密度,必须使用较小尺寸的磁性材料及被动元件,但是提高频率将使MOSFET的开关损耗与驱动损耗大幅度增加,而软开关技术的应用可以降低开关损耗。目前的通信电源工程应用最为广泛的是有源钳位ZVS技术、20世纪90年代初诞生的ZVS移相全桥技术及90年代后期提出的同步整流技术。
  (1)ZVS 有源钳位
   有源箝位技术历经三代,且都申报了专利。第一代为美国VICOR公司的有源箝位ZVS技术,将DC-DC的工作频率提高到1 MHZ,功率密度接近200 W/in3然而其转换效率未超过90 %。为了降低第一代有源箝位技术的成本,IPD公司申报了第二代有源箝位技术专利,其采用P沟道MOSFET,并在变压器二次侧用于forward电路拓扑的有源箝位,这使产品成本减低很多。但这种方法形成的MOSFET的零电压开关(ZVS)边界条件较窄,而且PMOS工作频率也不理想。为了让磁能在磁芯复位时不白白消耗掉,一位美籍华人工程师于2001年申请了第三代有源箝位技术专利,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。他共有三个电路方案:其中一个方案可以采用N沟MOSFET,因而工作频率可以更高,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250 W/in3以上的功率密度。
  (2)ZVS 移相全桥
  从20世纪90年代中期,ZVS移相全桥软开关技术已广泛地应用于中、大功率电源领域。该项技术在MOSFET的开关速度不太理想时,对变换器效率的提升起了很大作用,但其缺点也不少。第一个缺点是增加一个谐振电感,其导致一定的体积与损耗,并且谐振电感的电气参数需要保持一致性,这在制造过程中是比较难控制的;第二个缺点是丢失了有效的占空比。此外,由于同步整流更便于提高变换器的效率,而移相全桥对二次侧同步整流的控制效果并不理想。最初的PWM ZVS移相全桥控制器需另加逻辑电路以提供准确的次极同步整流控制信号;如今最新的移相全桥PWM控制器如LTC1922/1、LTC3722-1/-2,虽然已增加二次侧同步整流控制信号,但仍不能有效地达到二次侧的ZVS/ZCS同步整流,但这是提高变换器效率最有效的措施之一。而LTC3722-1/-2的另一个重大改进是可以减小谐振电感的电感量,这不仅降低了谐振电感的体积及其损耗,占空比的丢失也所改进。
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