高频通信开关电源.docx

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高频通信开关电源

湖南工程学院

毕业设计（论文）开题报告

学生姓名：

黄庠学号：

06号

专业：

电气工程及其自动化0004

设计（论文）题目：

高频通信开关电源

指导教师：

浣喜明

2004年2月16日

开题报告填写要求

1．开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。

此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。

2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式（可从电气系网页或各教研室FTB上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。

3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括1篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。

4．统一用A4纸，并装订单独成册，随《毕业设计说明书》等资料装入文件袋中。

毕业设计（论文）开题报告

1．文献综述：

结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。

文献综述

1、引言

电源在通信系统中处于的心脏地位，电源设备质量的好坏直接影响到通信系统的质量，因此通信系统对高频开关电源的各项指标要求都非常严格，尤其对功率因数、稳压精度、杂音电压及效率的要求很高。

所以可以说通信系统中使用的高频开关电源代表了开关电源整体行业的水平，也代表了开关电源的最新技术。

进年来，随着电子技术、电力电子技术、自动控制技术和计算机控制技术的发展，高频开关电源系统的性能越来越好。

2、通信用高频开关电源与相控电源的比较

相控型稳压电源的基本工作原理是：

当输入电压或负载变化时，改变晶闸管的导通角，可使输出电压稳定不变。

由于晶闸管工作开关状态，所以功耗较小，效率也较高，通常可达到70%。

要求输入和输出隔离时，相控型文雅2的输入端必须加如工频变压器。

由于工作频率很低（50Hz），所以变压器的体积和重量都很大，同时输出端的滤波电感和滤波电容的体积和重量也很大。

高频开关电源与相控电源的比较

1、体积小，重量轻，节省钢材和铜材

由于变压器绕组所加电压的频率大幅度的提高，变压器绕组匝数与有效横截面面积之积就会显著减少，所以变压器的体积和重量明显减少。

2、高效节能

采用高频变换技术，大大减少了变压器的体积和重量，也就减少了铁心横截面积和线圈匝数，使铁耗和铜耗都大都幅度减少，从而提高了效率，节能了能量。

同时，在高频开关电源中，对输入电压进行全波不控整流后再进行变换，

很小，cos

1。

如果再采用功率因素校正技术（PowerFactorCorrector,PFC）能使输入电流的谐波成分变的很小，从而使

1，从而使PE

1，节能的效果就更明显。

3、动态响应快、控制性能好

由于逆变开关电源的工作频率高，调节周期短，使得电源设备的动态性能好，对电网波动的适应能力强，启动冲击电流小，超调量小，恢复时间快，输入稳定，纹波小等。

4、保护动作快

由于逆变开关电源的工作频率高、控制速度快，对保护信号的反映也快，从而增加了系统的可靠性。

5、组合容易

采用均流控制技术均分载，容易用多个开关电源整流模块组成N+1冗余系统，当一个模块出现故障时，不必使整个系统停电，因而提高了整个供电系统的可靠性。

3、国内、外通信设备电源系统的发展概况

、国内通信设备电源系统的发展概况

我国正在远行的基础通信设备所备所采用的电源系统有相控型稳压式和高频开关两大类。

早期投入远行的通信设备所采用的基础电源系统大多是相控型稳压式，最近几年新上和改扩建的通信设备，基础电源大多采用了高频开关式电源。

这里所讲的高频开关是相对工频整流式来说的，指的是开关频率在20kHz及其以上频率的开关电源。

需要说明的是，在专业的开关电源领域里，一般的开关频率在100kHz以上的才真正算得上高频开关电源。

由于我们的通信设备和通信电源研制水平都比较后，早期引进的通信设备都配有国外的基础电源系统，并且也都是相控型稳压电源，比如：

瑞典AXE，HDX，日本的NEAX61E，FETEX-150，德国的EWSD，法国的E10等型号的数字式局级程控交换机所配的都是相控型稳压电源系统。

我国从1963年就开始研究相控型稳压式电源。

随着我国交换机对电源的迫切需要，以原邮电部通信电源厂为代表所生产的DZY系列整流通信基础电源系统也得到了广泛的应用。

由于开关电源具有很多整流式电源所无法比拟的优点，通信设备基础电源系统的方向是开关电源。

我国虽然从20世纪60年代就开始研究开关，但是由于我国的电子、磁性材料、加工工艺等相关工业的落后，对开关的研究开发度一直不快，比国际的先进水平要落后得多。

直到80年代我国才开发了20年的直流-直流变换器但质量很不稳定。

80年代后期，首次从澳大利亚引进了48V/50A和48V/100A的高频开关电源。

从那时开始，我国越来越重视高频开关式通信基础电源的开发与应用，积极参加了各种有关的国际学术会议，如国际通信能源会议、国际电力电子学术会议等。

在最近几年，由于先进的大功率MOSFET和第三代IGRT开关管，与形形色色的PWM集成控制芯片在世界范围内的推广应用，高频开关式通信基础电源得到了突飞猛进的发展。

我国一方面从国外直接引进成套的高频开关式通信基础电源，与国外上午先进技术合作生产，一方面自行研制开发先进的开关电源系统。

目前，在我国的通信基础市场上出现了国外产品、合作厂产品和国产产品纷争的局面，而且国产产品的销售情况越来越好。

、国外通信设备电源系统的发展概况

在国际，自美国在20世纪50年代相继出现单端式和推挽式开关电源之后，在60年代就提出了要逐步取消工频整流式电源的要求。

70年代，SG公司首先制造出了单片集成脉宽调制（PWM）控制芯片，使开关电源更加小型化，可靠性也得到了进一步的提高。

80年代初英国较早地研制了48V成套高频开关式通信电源系统，从那时到现在是十几年中，美国、德国、加拿大、澳大利亚、新西兰、瑞典、日本、法国、西班牙、挪威等国家，都先后研制出了高频开关式通信基础电源系统，并得到了推广应用。

尽管通信基础电源系统的容量比较大，但还是紧跟开关电源技术的发展而不断进步。

各种开关电源的发展方向基本上都是采用更先进的新器件、新技术、新材料、新工艺逐步减少开关电源的体积和重量，改善电气性能指标，提高工作可靠性，降低对电网的污染，消除对其他设备的干扰，增强智能化程度等等，具体表现在以下几个方面：

⑴较大功率的场效应管（MOSFET）模块、高速低压降第三代IGBT模块、智能功率模块、开关频率可达150kHz的高速IGBT的相继出现并得到推广应用，开关电源的容量也得到了相应提高。

比如：

澳大利亚、加拿大、日本等国已经生产出200A的MOSFET通信用开关整流模块。

⑵负载谐振、双零开关（ZVS，ZCS）、双零转换（ZVT，ZCT）等软开关技术的发展，使得它们可以硬开关控制技术，从而设计出体积更小、功率密度更高的开关电源。

比如，美国F.C.Lee博士领导的Virginia电力研究中心已经实验出功率密度为3W/cm3的开关电源；加拿大北方电信公司已开发了全桥软开关通信用一次开关电源，输出54V，28A，PF=0.99，效率为90%，功率密度为1.95W/in3。

⑶采用电源模式控制技术，改善了系统的静态和动态电气性能指标，提高了可靠性。

⑷采用无源和高频有源功率因数校正（PFC）技术，提高了可靠性。

⑸采用并联均流技术，实现多模块（N+1）并联远行、均分负载，提高了通信基础电源系统的供电可靠性。

⑹采用微机控制技术对通信基础电源系统和通信设备实行集中监控、无人值守，提高了智能化程度。

5、现代高频开关电源所用新型电力电子器件的发展趋势

⑴集成化、高密度化它包括了两层涵义，一是构成MOSFET大功率器件的元素微观化、更加密集；二是指小功率的MOSFET也集成在单片IC中，包括系统控制、驱动、保护、检测、末级功率开关等。

为了提高功率开关器件的性能，几乎所有的全控型器件都由许多单元胞管子并联组成，也是一个功率器件由众多子器件集成：

如一只50A的大功率管MOSFET含有上万个单元胞管，一只300A的静电感应晶闸管SITH含有5万个子器件，一只1000A的GTO则由近单元GTO并联而成。

⑵高频化提高主功率变换器件的开关速度，可明显减少磁性变压器材料和大容量电解电容器的体积、重量等。

开关器件了功率半导体的主角，研制工作从改进电压、电流的两维体系，发展到再提高频率的三维体系，新技术应用于各种电源产品，改善了动态参数和开关损耗。

MOSFET和IGBT都增加芯片元胞的密度，可增大所有元胞周界的长度，使其通态电阻减少，缩短单元胞对角线，使每个单元胞中电流流经线最短，即以更细的线条来换取器件的快速性。

新一代MOSFET制造工艺精密度增加，与超大规模IC的工艺已很接近。

IR公司的高速IGBT-WARPSpeed系列实用频率达到100kHz，开关损耗明显下降。

另外，出现了饿几千赫的低频高压大电流GTO、GTR，以及数百千赫的MOSFET、数兆赫的SIT（静电感应晶体管）等。

⑶大容量化、模块化功率MOSFET已有200A/60V和50A/500V；90年代中期出现了600A/1800V和1000A/3000V、50kHz的IGBT；目前已研制出高压5000V、100A的IDBT。

⑷模块扩充例如晶闸管1000A/12000V、6000A/8000V已问世；快速晶闸管（关断时间达8~50us）为1600A/2500V，光控晶闸管有6000A/6000V；可关断晶闸管GTO达2500A/9000V、6000A/6000V、1kHz；达林顿电力晶闸管GTR则出现了1000A/1800V、频率2kHz，但它们将逐渐被IGBT所取代。

⑸采用最新的半导体材料碳化硅、砷化镓、金刚石片等，使电力电子器件的性能更加优越，可靠性更高。

碳化硅与合成金刚石都有特宽的频带、高导电率和导热率。

合成金刚石的电力MOSFET工作频率比硅器件高50倍，功能容量大几百倍以上，导通压降低一个数量级，工作结温可达600摄氏度。

参考文献：

[1]浣喜明.电力电子技术.高等教育出版社.2001.

[2]赵校敏.开关电源设计与应用.上海科学普及出版社.1999.

[3]刘胜利.现代高频开关电源实用技术.电子工业出版社.2001.

[4]何希才.新型电源电路应用实例.电子工业出版社.2001.

[5]许文龙.现代通信电源技术.人民邮电出版社.2000.

[6]王水平.开关稳压电源.西安电子科技大学出版社.1999.

[7]王英剑.新型开关电源实用技术.电子工业出版社.1999.

[8]王兆安.电力电子技术.北京：

机械工业出版社，2002.

毕业设计（论文）开题报告

２．开题报告：

一、课题的目的与意义；二、课题发展现状和前景展望；三、课题主要内容和要求；四、研究方法、步骤和措施

开题报告

一、本论文的目的和现实意义

高频开关电源作为一种电子设备专用电源，极为当今工程技术人员所关注。

它以其轻、薄、小和高效率的特点为人们所知，是各种电子设备小型化和低成本化不可缺少的一种电源方式，已经成为当今电源的主流。

随着电子信息产业的迅速发展，其应用范围也必日益扩大，需求量将与日俱增。

目前高频开关电源技术已经广泛应用于基础直流电源、交流电源、各种工业电源（电焊、电解、加热、充电、超声、电机调速等）、通信电源、（舰船、飞机）逆变电源、计算机电源，UPS比间断电源、医疗和照明电源、音响和视频电源等。

它能把电网提供的强电和粗电，变换成各种电气设备和仪器所需要的高稳定度精电和细电（提供不同规格的电压和电流值），它是现代电子设备重要的“心脏供血系统”。

维修人员发现，实际电气设备的常见故障，有一半在电源问题上。

所以高频开关电源是一个非常重要的部分，它的好与坏直接关系到整个产品甚至一个电路系统的好坏。

实现高频电源的技术突破是决定以后电子行业以及其他相关行业的又一次突飞猛进有着举足轻重的意义。

通过高频开关电源这个课题，可以进一步深入高频电源开关的设计与开发领域，从中获取更多有关高频开关电源技术的精髓，对认识和以后开发更先进的电源提供一个非常好的基础。

同时通过这个课题设计与研究，拓宽自己的视野，了解高频开关电源的重要性与实用性。

二、课题发展现状和前景展望

在功率电子技术的应用及基本电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。

传统的相控型电源非常庞大而笨重，例如逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源。

如果采用高频开关电源技术，其体积和重量都会大幅度下降，而且可较大地提高电能利用率、节省材料、降低成本。

在电动汽车和交流传动中，更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率，从而达到近乎理想的负载匹配和驱动控制。

现代的高频开关电源是一项要求知识面宽、难度很大、又有危险的复杂技术。

在试验板要输入交流220伏电压，它经过全波整流滤波后输出+300V直流高压；若经过功率因数校正器升压储能电感，则高压达+400V；试验中若主功率高压开关管工作状态不正常，如驱动脉冲波形畸变，或是高频变压器磁芯饱和短路，或桥式变换器出现“共态导通”，就可能造成管壳爆炸，炸碎的管壳四处飞射等。

20世纪90年代以来，高频功率变换技术飞速地发展，不断涌现了新型电力电子器件、高智能化IC和新电路拓扑，创造出十年前意想不到的许多新型稳压电源。

它们具有高性能、高效率、高可靠性和低噪声、低污染品质，极大地节约了电能、降低了材料与成本，缩小了体积和重量，明显减少了电磁干扰。

现代电源技术正以空前的规模改造着传统的旧式电气设备，广泛进入了国民经济和人类生活的各个领域。

发展了20多年的脉宽调制PWM高频开关电源，工作频率低于20kHz，采用电压反馈或电流反馈控制。

它是通过中断功率通量和调节占空比方法，改变驱动电压脉冲宽度来调整和稳定输出电压，使器件工作在“硬开关”状态，即强迫关断（电流不为零时）或强迫导通（电压不为零时），使功率管开关期间同时存在高压与大电流的交叉，因此开关损耗大，尖刺干扰强。

变压器漏感与大电流变化率激起的高电压尖锋，不仅易损坏功率管，还产生明显电磁辐射，降低了可靠性和电源效率。

新出现的零电压转换ZVT（ZeroVoltageTransition）和零电流转换ZCT技术，或者称软开关技术（Soft-Switching），综合了PWM开关与谐振变换技术两者的优点：

既有脉冲方波高效传递功率和恒频控制便于优化参数，又有谐振技术的低损耗和零电压转换的特点。

这种“零开关”技术充分利用变压器漏感与功率管输出结电容之间的谐振，产生满足零电压导通或者零电流截止的条件，使开关导通时电压为零，截止时流经开关的电流为零。

因此大大减少了功率管的开关电压、电流应力和尖刺干扰，降低了损耗，开关频率明显提高。

现代高频稳压电源的软开关技术和有源功率因数校正技术正快速发展。

三、课题主要内容和要求

电源的设计指标：

输入电压：

输出电压：

标称48V

调节范围：

45~48V

输出电流：

额定值50A

保护与报警：

1、输入线电压低于310V或高于450V，自动关机、声光报警；

2、输出直流电压大于60V或输出电流>54A时，直接关机，输出直流电压小于40V时，发出报警。

谐波幅度：

小于等于150mV（0~20mHz）

效率与功率因数：

效率不小于91％；功率因数不低于0.93。

基本要求

1、采用全桥移相和软开关技术，开关频率100KHz，实现损耗低、噪声小、重量轻、体积小；

2、采用电压环和电流环实现双环控制，以提高控制性能；

3、实现多模块并联扩容；具有过流保护、输出过压、欠压保护。

四、研究方法、步骤和措施

通常把现代高频开关稳压电源的变换分解为四个环节：

输入整流、控制系统、开关变换、输出整流。

高频开关电源变换过程

⑴输入整流先用二极管桥式整流电路把交流为直流电。

从大的角度看，输入整流环节的元器件类型几十年变化不大。

仅中小功率器件的塑封外形变换较多：

常规的TO-200、TO-247等和新发展的表面贴装SMD-10等。

输入级除了具备整流功能外，还有限流和功率因数调整功能。

⑵控制系统指多种专用控制集成电路，如各类PWM脉宽调制或者移相控制IC等，用于触发在逆变工作状态的功率MOSFET或IGBT等。

新的功率集成电路（Power-IC）包括了带智能保护的Smart-FET器件，它与普通的CIC不同，它不是一种触发器件，而且具有保护功能的功率MOSFET。

还有微电子固态继电器MER，包含光电耦合、控制IC等。

⑶开关器件是电力电子技术发生重大变化的领域，也是开关稳压电源实现高频化、高效率、高可靠性的关键环节。

50年代出现可控硅SCR，60年代快速晶闸管进入逆变领域；70年代研制了性能优良的自关断器件GTR和GTO。

80年代涌现出各种高频化全控型功率半导体器件：

功率MOSFET、绝缘栅晶体管IGBT、混合星MOS晶闸管（MCT）和IGCT等。

并涌现出1000V高压MOSFET、和150kHz高速IGBT等。

⑷整流输出低压输出，要求速度快、通态电阻小。

肖特基二极管是常用的一种。

通信开关电源的设计原理

380V三相电压经六个二极管全桥整流，为减小噪声通过EMI后，再经无源输入滤波LC，得到较平稳的电源，由四个IGBT构成的全桥逆变电路，将经整流滤波后的直流电变成交流方波电压，再用开关变压器降压，最后全桥整流滤波输出。

高频开关电源设计可分为以下几部分：

、主电路B、控制电路C、辅助电路

、主电路：

、电磁干扰EMI滤波器：

能使输入的电压波形平缓，从而有效的抑制电网中的噪声进入设备，也可以抑制设备产的噪声污染电网。

、三相全波整流电路

本设计的三相全波整流电路采用不控的二极管作为开关管。

这种电路不用中线，输出电压高，输出纹波小，输入谐波小。

三相全桥整流在相同输出时每只管所承受的电流要比单相小得多，但每只管所承受的反压降很大。

、LC滤波电路

本开关电源整流模块是三相交流输入，进入逆变开关电路前，整流后要滤波，其作用是使送给逆变开关电路的电压平滑，尽量减小输入电流谐波，提高系统的功率因素。

这种滤波电路可使输入电流连续，功率因数较高的LC滤波电路，其中L有贮能放能作用，电容C的充放电流小，电解的负担减轻，寿命比较长。

、全桥逆变电路

全桥逆变电路运用软开关技术，包括软开通和软关断。

普通PWM变换器是改变驱动信号脉冲宽度来调节输出电压，它在功率管开关期间存在很大损耗，故硬开关电源的尖刺干扰大，可靠性差，效率低。

而移相控制全桥软开关电源，是通过改变全桥两臂对角线上下管驱动电压移相角的大小来调节输出电压，让超前臂管栅压领先于滞后臂管栅压一个相位，并在IC控制端对同一桥臂的两个反相驱动电压设置不同的死区时间，巧妙利用变压器漏感和功率管输出端结电容和原、副边之间寄生电容来完成谐振过程，实现零电压开通，就能错开功率器件大电流与高电压同时出现的硬开关状态，抑制感性关断电压尖峰和容性开通时管温过高，减少了开关损耗与干扰，

、输出整流滤波电路

本电路采用全桥整流电路。

这种形式用的整流管较多，但变压器副边匝数比全波电路少，且不用抽头，输出情况与全波电路相同。

滤波电路作用是使输出电压平滑，尽量减小输出电流谐波。

B、控制电路：

采用UC3879集成芯片实现移相全桥变换。

该集成芯片提供了全部必要的控制、解码、保护及驱动功能。

该电路极大地简化了全部设计过程，节省了开发时间。

与使用传统的具有移相控制的全桥布局的DC/DC变换器已被验证在中载到重载时有明显的优越性。

这种控制方法提供了很好的du/dt值及初级侧功率级半导体的零电压开关的全部条件。

C、辅助电路：

、保护电路

本电源设置有四个保护功能和一个告警功能：

输入过压保护，输入欠压保护，输出过压保护，开关管过流保护和输出欠压告警。

、辅助电源

辅助电源有两个作用：

一、是给电路各芯片提供电源；二、是作为输入电压检测，这样无须再设计输入电压检测电路。

三相交流电源经变压器变压后，通过全波整流，经电容滤波，一路由7812和7805稳压得到芯片所需两种电压，另一路送给保护电路作为输入电压检测。

、报警电路

输出欠压或过压时，会产生报警信号，使发光二极管点亮，同时蜂鸣器发出声音报警。

设计原理框图如下：

毕业设计（论文）开题报告

指导教师意见：

1．对“文献综述”的评语：

2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：

指导教师：

年月日

所在专业审查意见：

负责人：

年月日