智能高频开关电源第三章.ppt

第三章 通信用智能开关电源的整流模块,3.1 概述 3.1.1 智能开关电源的整流模块 一. 整流模块的基本原理（AC/DC变换器）,二. 整流模块的电气和机械结构设计考虑：,1. 外形尺寸满足GB3047.1； 2. 遵循EMC（电磁兼容性）的要求； 3. 显示、指示、调节、转换等观察和操作的部分设计在前面板上；交流输入插件、直流输出插件及各插口接口设计在后面板上； 4. 冷却方式有：风冷、自然冷却； 5. 热插拔设计。,3.1.2 整流模块逆变开关电路的选择,一. 单端正激式变换电路 1. 电路简单，开关器件少，设计容易，成本较低，工作可靠，应用非常广泛，是整流模块逆变开关电路的优选方案之一 2. 常用于百瓦数千瓦的变换器； 3. 对于较大功率的整流模块，采用双单端正激式变换电路并联输出，使得功率增大1倍，输出频率增加1倍，纹波及动态响应得到改善。,二. 单端反激式变换电路,1. 对多路输出的负载有较好的平衡能力，适用于多路输出的DC/DC变换； 2. 一般用于小功率输出场合 3. 变压器的利用率低,三. 推挽式功率变换电路,1. 双端变换器，变压器双端工作，体积小； 2. 两个开关管轮流导通，输出脉冲频率提高1倍，脉冲电压小，滤波容易，输出电压易高； 3. VT1、VT2的发射极共地，所以无需隔离基极驱动电路，驱动电路简化； 4. 功率输出较大； 5. VT1、VT2的耐压值应2Vin； 6. 该电路现在已经很少应用。,四. 全桥式功率变换电路,1. VT的耐压值只要Vin即可； 2. 使用VD1VD4，提高了电源效率，变压器利用率高； 3. 输出功率比双正激高一倍； 4. 4个VT，四组驱动电路需要隔离，设计较复杂 5. 主要应用于大功率变换电路中 6. 目前，国内市场上，绝大多数的48V/50A、 48V/100A、 24V/100A的整流模块的逆变电路都选用全桥式！,五. 半桥式功率变换电路,1. 开关管耐压值Vin即可，适用于较高的直流输入电压； 2. 具有自动抗电路不平衡能力； 3. 输出功率不太大，在几KW以下，只适合设计48V/50A（ 24V/100A）以下功率等级的整流模块； 4. 变形的半桥式功率变换电路：在高电压输入和大功率输出的场合，得到了广泛的应用。,3.1.3 整流模块功率变换方式的选择,一. 负载谐振变换技术（RLC谐振技术） 1. 串联负载谐振（SLR) 并联负载谐振（PLR） 利用RLC谐振技术，即利用负载电阻和谐振电感电容 组成的RLC电路，在谐振过程中进行功率变换。 优点：开关损耗小，工作频率高，EMI小,缺点： （1）开关的电流电压定额较高，增加了成本 （2）必须采用PFM变频工作方式，给输出滤波带来了困难。 多用于半桥式和全桥式逆变电路。,二. 硬开关定频变换技术,固定工作频率，调节开关管导通的占空比， 即：采用脉冲宽度（PWM）方式来调节或稳定输出。 1. 优点：对开关器件的要求低，控制电路简单； 几乎可用于所有的逆变主电路拓扑形式 2. 缺点：开关损耗大，高频工作的效率低； EMI（电磁干扰）较严重。,3. 硬开关PWM变换方式一般应用于以下几种情况： 逆变频率不太高的场合； 不要求体积和重量太小的逆变器开关电路； 效率要求不太高的逆变器和开关电源； 成本不宜太高的功率变换装置。,三. 谐振开关变换技术,零电流谐振开关（ZCS） 开关管在零电流时关断。 零电压谐振开关（ZVS） 开关管在零电压时关断。 ZCS：利用LC谐振技术使开关管在开通时间内谐振，流过它的电流为正弦半波，在开通和关断过程中电流为0，实现零电流开关。 电流、电压有一个为0，损耗小,谐振用电感Lr和开关S串联，流经开关的电流为正弦波的一部分。开关导通时，电流从0以正弦波形状上升，上升到峰值后，又以正弦波形状减小到0，电流变为0之后，开关断开。,ZCS原理：,开关再次导通时，重复以上过程。开关在零电流时通断，这样动作的开关叫做零电流开关,简称为ZCS。,在零电流开关中，开关通断时与电压重叠的电流非常小，从而可以降低开关损耗。采用电流谐振开关时，寄生电感可作为谐振电路元件的一部分，这样可以降低开关断开时产生的浪涌电压。,2. 优点： 开通或关断损耗小； 提高了工作频率、效率、功率密度； 降低了体积、重量。 3. 缺点： 开关管的电压电流定额较高，成本提高 采用PFM变频工作方式，比PWM方式复杂，滤波困难。,四. 双零转换变换技术,1. 零电压转换（ZVT ） 零电流转换（ZCT） 采用辅助开关管配合LC参数的部分谐振使得开关管实现零电压开通或零电流关断。,2. 特点： 电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都能工作在软开关状态； 电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。,3. 双零转换开关的基本电路形式： (1)零电流转换PWM电路（Zero-Current Transition PWM ConverterZCT PWM）,ZCTPWM电路的基本开关单元,(2)零电压转换PWM电路（Zero-Voltage-Transition PWM ConverterZVT PWM）,ZVTPWM电路的基本开关单元,4. ZCT（ZVT）PWM 变换基本电路形式,BUCK 降压 BOOST 升压 BUCK-BOOST 升降压 CUK 升降压,a）基本开关单元 b）降压斩波器中的基本开关单元 c）升压斩波器中的基本开关单元 d）升降压斩波器中的基本开关单元,零电压转换PWM电路,5. 以零电压转换PWM电路为例： 具有电路简单、效率高等优点。,升压型ZVTPWM电路的原理图,辅助开关S1超前于主开关S开通，S开通后S1关断。 t0t1时段：，S1导通，VD尚处于通态，电感Lr两端电压为Uo，电流iLr线性增长， VD中的电流以同样的速率下降。t1时刻，iLr=IL，VD中电流下降到零，关断。 t1t2时段：Lr与Cr构成谐振回路，Lr的电流增加而Cr的电压下降，t2时刻uCr=0， VDS导通，uCr被箝位于零，而电流iLr保持不变。,升压型零电压转换PWM电路在t1t2时段的等效电路,ZVTPWM电路工作过程：,t2t3时段：uCr被箝位于零，而电流iLr保持不变，这种状态一直保持到t3时刻S开通、S1关断。 t3t4时段：t3时刻S开通时，为零电压开通。S开通的同时S1关断，Lr中的能量通过VD1向负载侧输送，其电流线性下降，主开关S中的电流线性上升。t4时刻iLr=0，VD1关断，主开关S中的电流iS=IL，电路进入正常导通状态。 t4t5时段：t5时刻S关断。Cr限制了S电压的上升率，降低了S的关断损耗。,升压型零电压转换PWM电路的理想化波形,6. 总结：,双零转换开关，是真正的PWM控制方式； 具有软开关的开关损耗小、EMI小、频率高、效率高、节能的优点； 又具有PWM变换的定频、容易滤波、开关电压电流容量定额小的优点。 是谐振技术和PWM技术完美的结合。 是现代功率变换技术的发展方向之一。,3.2 DMA10智能开关整流模块,3.2.1 概述 DMA10型PWM高频开关整流模块由武汉洲际通信电源集团有限责任公司（原邮电部武汉通信电源厂）生产； DMA10型整流模块是构成DUM14大功率智能高频开关电源系统和DUM23智能高频开关组合电源系统的整流单元； 系统可以按实际需要确定整流模块的数量，使其容量可从100A至l0000A灵活选择；,（1）DMA10型开关整流模块有48V和24V两种规格，型号为：DMA1048/100和DMA1024/100；最大输出容量为5600W、2800W； （2）DMA10既可以独立工作，也可以多台并联，统一接受DK04型监控模块控制，通过监控模块，可获得良好的工作性能（例如，强迫均流，精确的电池电压调整，电池充电电流限制，电池自动均衡和电池温度补偿等）； （3） DMA10采用插拔式结构，自然风冷，体积小，重量轻，噪声小，安装维护方便；,（4）采用MOSFET和IGBT组合开关及系统PWM均流技术，和桥式电路的平衡调节； （5）模块内包含带16位单片微处理器的前显示板，具有控制、监视、显示功能； （6）由于微处理器保证了整流模块与监控模块之间的数字通信，同时又通过监控模块与外界建立了通信，因而可以从远端监控站或通过调制解调器从更远的地方监视整流模块的工作参数。也可更改参数。,二. DMA10的其他优点：,1.真三相（无中性线）输入方式，无中线电流 2.输入电压范围宽（304456V） 3.高功率因数（0.93），高效率（0.91） 4.起动电流小（小于8A） 5.稳压精度高，输出噪声小 6.动态响应特性好 7.具有过压、过流、限流、过温等保护 8.智能化程度高 9.抗浪涌能力强 10.高稳定性，高可靠性,三. DMA10的技术指标：,3.2.2 DMA的基本原理及构成框图,一.功能框图：,二. 主要构成：,DMA1048/100型整流模块面板布局图：,交流输入电源通过输入插头和交流输入开关送至功率母板PMB，由一个主要用于检测交流输入电源是否存在的电路来提供一个状态信号，以指示交流输入开关是合上还是断开。 三相交流输入电源直接送至功率母板PMB上的辅助电源变压器，以及功率控制板PCC上的交流电压检测电路。,功率母板PMB包括了大多数功率器件和交流变直流、直流变直流的连接电路。其中，有门驱动电路和隔离脉冲变压器。半桥式直流一直流变换器电路的直流电压输出通过一个共模线圈连接到功率输出板PDB，然后送到机壳后部的输出接头。电路直流电压输出的负端通过输出断路器连接到输出的负端。,功率控制板PCC包括交流电压和直流电压检测电路，提供功率开关门极信号的初级功率开关控制电路，还包括次级电压、电流限制的控制回路和相应的电压、电流反馈信号电路。,三. 主要电路分析,1. 输入电路 2. 半桥功率变换电路 3. VS1、VS2开关器件由MOSFET和IGBT组成 4. 输出电路 5. PWM控制电路,1. 输入电路：,2. 半桥功率变换电路,3. VS1、VS2开关器件由MOSFET和IGBT组成,4. 输出电路,高频变压器次级绕组Ns上的电压经V3、V4整流后产生直流脉冲电压，该电压经过电感L0、电容C0滤波输出稳定的直流电压V0,5.PWM控制电路,四. DMA10的工作流程：,1. 将Vout、Iout 进行A/D转换。产生数字信号，送给LCD显示，同时判断VoutIout 是否大于设定的最大输出功率，限制输出功率； 2. 设置和修改模块参数； 3. 将设定的Vout、Iout 通过软件变成PWM输出，通过相应的积分电路，产生电压电流的参考值； 4. 报警信号处理、显示， 关机故障时，功率变换电路停止工作； 5. 与系统监控模块进行数据交换； 6. 软件流程。,五. 均流的实现：,优点： 抗干扰能力强，而且每个模块通过光耦合器进行隔离； 这样模块之间没有相互影响； 这种均流方式可控制数量较多的模块。,六. 显示和参数调制,1. 显示 DMA10前面显示板上的字母数字液晶显示器是一个单行16字符显示器，与其配合使用的有4个按键，“增加”“减小”“确认”和“菜单”。 在正常工作情况，无任何告警的情况下，显示器显示输出电流、输出电压和表示浮充工作状态的代码“FL”或表示均衡工作状态的代码“EQ”如：,1035A 55.1FL,（1）输出电压的显示 字母数字显示器显示的输出电压范围是070V，精度优于0.5%，分辩率为0.1V，当按下“菜单”键时，则不显示输出电压。 （2）输出电流显示 字母数字显示器上显示的输出电流范围是0199A，精度优0.5%，分辩率为0.1A，除非有告警状态发生，输出电流的显示占据显示器的前5个字符。当出现告警状态时，将以最按近的整安培数显示输出电流的大小。 （3）其他显示 当出现告警状态时，显示器下边的“告警”指示灯（黄色发光管）闪烁，显示器的显示格式发生变化。在下面的例子中，输出电流以最接近的整数值显示，然后是输出电压，告警或状态信息以两个字字母的形式在最后显示。一次最多可同时显示3条告警或状态信息。,DMA10 报警信号代码及原因：,2. 更改参数： （1）浮充工作方式 （2）浮充工作电压 （3）均衡工作电压 （4）电压微调值+/-nnn （5）输出限流值 （6）输出过压报警点 （7）输出欠压报警点 （8）输出电压过高关断阈值电压,（9）输出电压过高关断复位 （10）测试 （11）整流模块的地址 #ZZZ （12）密码功能 （13）微处理器报警,3.3 DMA12智能开关整流模块,一. 概述 DMA12一48/50型高频开关整流模块，由武汉洲际通信电源集团有限责任公司(邮电部武汉通信电源厂)生产，在承袭DMAlo一48/100型整流模块设计中MOSFET和IGBT并联混合开关等技术的基础上采用了一些最新高频开关电源技术，并结合用户对小容量开关电源的要求设计而成。 该模块具有以下特点: 1. 单相加地线交流输入，交流输入电压范围为150v至275v。若交流输入超出工作范围，模块自动关机保护，可满足边远地区或电力供应不正常地区的要求;,2. 模块采用自然冷却方式，省去维护人员经常清洗风扇滤网的负担，可在需要一长期无人值守的地方使用。同时，其可闻噪声低，可安装于机房、办公室等工作环境; 3. 采用功率因数有源校正，其功率因数接近于1，有效地克服了交流电流波形的畸变。 DMA12一48/50型整流模块效率高、体积小、重量轻，可独立工作，也可多台并联接受DK04A型监控模块的控制构成开关电源系统。它可构成的电源系统的容量从50A到50000A，目前所构成的典型系统为DUM23ll一48/300型智能组合电源统。,二. 功能框图,三.构成框图,DMA12型整流模块主要由六块印制板组装而成。这六块印制板是:交流输入滤波板CIB、交流母板ACMB、直流母板DCMB、控制板ALB、输出滤波板TOF、显示控制板FPB。FPB板与ALB板通过一根26线扁平电缆相连，同时用一根4线电缆与DK04A型监控模块进行数据通信。 DMA12型整流模块可将上面六块印制板分为两大部分。第一部分为功率变换及控制电路，包括ACIB、ACMB、DCMB、TOF、ALB等。这一部分将交流输入变换成良好整定的48V直流输出，包含了能够实现功率变换的全部高频反馈回路。,第二部分为整流模块自身的监控部分，由带有微处理器的FPBI所构成，能完成监测、显示和控制功能。它通过一系列低频的基本上为直流模拟信号(主要为电压和电流的设定点)及数字信号(主要为告警信号及开关控制信号)，来对功率变换部分进行相互作用。,DMA12型48V/50A整流模块控制方框图,将整流模块精心地设计成这两大主要部分，是为了在有必要对整流模块的显示部分或其它外部特性部分进行变动时，可以不影响功率变换部分而只需要对印制板FPBI进行改进。 这很有必要，因为功率变换部分特别是高频控制回路对线路的布局非常敏感，线路稍一变动，模块的性能就可能发生变化。,四. 技术指标,五.工作原理,下面简要介绍各部分的工作原理： EMI滤波器和瞬态抑制电路 交流输入电源通过输入断路器加到ACIB板的输入EMI滤波器上，EMI滤波器由一个共模电感、一个差模电感和X型（差模）电容组成。在ACIB板上装有压敏电阻，放电管等瞬态抑制器件，以保护整流模块避免高压浪涌的冲击。,2. 交流直流升压变换器 在经过输入滤波后，交流电源输入到限流继电器和限流电阻上。当前面板上的交流输入控制开关打开后，限流继电器闭合，同时DC/DC变换电容被逐渐充电到交流输入的电压峰值。当此直流电压值超过交流输入工作范围的下限后，升压电路即开始启动，并将电容上的直流电压升至整定的420V左右； 在直流电压线性上升期间，当该直流电压超过交流电压的峰值时，交流主电源继电器闭合，这样就完成了升压变换器的起动过程；,升压变换电路由高频电感、MOSFET/IGBT并联混合开关、升压二级管及无损耗缓冲网络所构成。并联混合开关把功率开关的损耗减至最小，这样在升压级使效率有所提高。IGBT和MOSFET的并联使用，充分利用了IGBT导通损耗低和MOSFET开关速度快的优点，组成了一个高效率的功率变换开关； 升压变换电路既使交流输入电压变换成整定的420v直流电压，同时又通过上述的功率变换开关将交流电源的电流波形控制为与电压波形一致。对交流输入来说，整流模块是一个阻性负载，不会对交流电网造成畸变。同时，由于电流波形不仅与电压波形在正弦波的形状上一致，而且相位相同，这就成功地实现了功率因数的有源校正，使功率因数能达到或接近于1的水平。,3. 半桥式直流一直流变换器 在这部分电路中，直流线圈与一个半桥式开关电路相连。此开关电路分别由两个电容C1a、C1b和两个功率开关S1a、S1b组成。两个功率开关分别驱动主高频变压器的初级绕组； 每个功率开关实际上与上述讨论的一样;也是由MOSFET和IGBT并联而成。,4. 输出整流和滤波电路 中心抽头的次级电压通过输出电感L0和输出电容C0的组合来进行整流和滤波，然后通过输出电磁兼容滤波器输出至机壳背部的直流输出端子。次级电路的一个电流分流器给控制板ALB提供控制回路所需的电流反馈信号； 整流模块输出断路器CB0为输出电路发生故障时提供保护； 紧靠直流输出端子有一个直流输出滤波部分（TOF板），是为直流输出提供共模和差模滤波。,5. 控制和告警信号 控制板ALB的直流电压检测电路用于控制限流继电器Rly1和Rly2。ALB上的电压和电流控制回路用于升压变换开关SB的控制，准电流型控制电路用于半桥式直一直功率变换开关S1a和S1b的控制。该准电流型控制电路是由同位于ALB上的输出电压和输出电流控制电路通过一个光耦来依次进行控制。 显示控制板FPB用两个低电压直流信号VDEM（输出电压要求信号）和IDEM（输出电流要求信号）来对输出电压和输出电流进行控制。,在DK04A型监控模块起作用时，该VDEM和IDEM与监控模块的要求一致，在监控模块不起作用时，由整流模块本身的参数来确定。 ALB板向FPB板送去一系列的数字告警信号，也送去两个模拟信号Iout和Vout。这些信号被FPB板进行处理，以便送往监控模块及自己显示出相应的电压电流和告警信息。,6. 参数设置及与监控模块的通信 FPB板采用了微处理器来对整流模块的状态进行监控，使模块显示内容丰富、直观，还具有故障自诊断能力。它既可将信息送至DK04A型监控模块，也可接受监控模块的控制指令与参数设置。 DMA12型整流模块的参数设置全部以数字方式进行，既可在面板上进行设置，也可在远程计算机上进行，这使得模块具有参数设置方便、调整方便的特点，易于开通和维护。 此外，由于FPB板的数字控制，模块还具有许多特点，如具有从5A到55A无级限流的特性。,DMA1248/50型整流模块，在