高頻開關整流器

大規模集成電路技術的迅速進展，使通信設備製造廠家對整個電源系統裝置提出了更加小型化和裝配緊湊的要求。因而程控電源系統，正由傳統的集中供電系統，逐一轉為分散式供電系統。這種新的供電系統是一種無電力室的，供電分散在各個電信機房的供電方式，它具有綜合投資少，擴容方便，容易維護，耗能小等優點。而分散式供電系統是在高頻開關整流技術，免維護鉛蓄電池使用技術及微機數字控制技術發展的基礎上發展起來的 ^[5]  。

高頻開關整流模塊是分散供電系統中的重要裝置，它可隨頻率提高而減少體積，重量輕，噪聲小且可由模塊組合為大容量整流器。開發高頻開關整流器，不僅可推動通信電源系統的革新，還可促使功率開關器件，磁性材料、電容材料、及對電路新拓撲和系統控制等電力電子技術的發展 ^[5]  。

整流器（Switching-Mode Rectifier，SMR）可以將交流轉換為直流。通常單位功率因數高頻整流器包含了AC-DC、DC-DC、DC-AC、AC-DC幾個變換過程，從整體來看，可分為AC-DC和DC/DC兩大部分，前者實現PFC功能，將交流電轉換為直流且保證交流電網輸入側功率因數接近1；後者實現軟開關功能，將直流電變換為帶隔離的直流電且保證轉換效率高 ^[1]  。

SMR 框圖和電路原理圖如下所示：

從上圖可以看出，由於SMR電路的電來自於火線和零線，接地與否不會影響整流橋（AC/DC變換）和DC/DC變換電路（DC/DC變換之間有變壓器的話更加沒有影響），因此，絕大多數有源站點在沒有接地的情況下是能正常供電工作的 ^[2]  。

與傳統整流器相比，高頻開關整流器（以ZZG 12型為例）具備以下優點：

(1)取消了傳統的工頻變壓器和電抗器，體積更小、技術指標更高 ^[6]  。

(2)具備穩壓限流運行功能。交流輸入採用功率因素校正技術，使輸入電流接近正弦波，降低低次諧波分量對電網的影響。同時，EMI濾波能夠有效防止高頻干擾進入交流系統。整流器能以設定的電壓值和限流值對電池組充電並帶負荷運行。當輸出電流大於限流值時，整流器自動進入穩流運行狀態；輸出電流小於限流值時，整流器自動進入穩壓運行狀態 ^[6]  。

(3)輸出電壓程控調整功能。在整流器的程控電壓端VP(與輸出負母線共地)加-大小可調的直流電壓(-10~+10V)，輸出電壓將在整流器內部設定的輸出電壓基準值以“-6.5V/V”（額定輸出電壓為DC 220V的整流器）或“-4V/V”（額定輸出電壓為DC 110V的整流器）的斜率改變。例如，在額定輸出電壓為DC 220V的整流器（出廠時輸出電壓已整定為DC 230.0V）程控電壓端VP加“-2.0V”（相對輸出負母線）的直流電壓，此時整流器輸出電壓230.0V+(-6.5V/V)

(-2.0V)=243.0V。因此使用範圍更廣 ^[6]  。

(4)熱插拔功能。正在機架上並聯工作的多台整流器，不停電狀態下可以任意插拔其中-台整流器而不影響其它整流器的正常工作，檢查維護更方便 ^[6]  。

(5)保護功能更加完善。當某台整流器處於保護動作狀態時，該整流器的均流和外控功能將自動退出而不影響其餘整流器的正常均流運行 ^[6]  。

①輸入保護。整流器的交流輸入電源出現過壓、欠壓時，整流器將自動停機，當交流輸入電源恢復正常後，整流器將自動啓動 ^[6]  。

②輸出過壓保護。整流器的直流輸出電壓大於規定的直流輸出過壓保護值時，整流器將停機並重新啓動。否則整流器將處於啓動-保護-關機-再啓動-再保護的循環中。當出現這種現象時，應將該整流器拔出並加以檢修 ^[6]  。

③過流保護。整流器過流時會自動保護停機。多台整流器並列運行時，若輸出有短路或負載突然加大，整流器可能會出現過流保護，並再啓動，工作於限流狀態 ^[6]  。

④短路保護。整流器內設有多重限流保護，可承受連續短路而不損壞，可靠性高 ^[6]  。

⑤温度保護。整流器的主要器件温度超過75°C時，整流器將自動停機。温度降至正常後，整流器會自動啓動，進入正常運行 ^[6]  。

⑥報警及顯示。整流器設有報警指示及故障輸出端子，出現故障時會準確顯示 ^[6]  。

高頻開關電源系統組成如圖1所示。市電經交流配電分路進入整流模塊，經各整流模塊整流得到的直流電通過匯接進入直流配電，分多路提供給通信設備使用；正常情況下，系統運行在並聯浮充狀態，即整流模塊、負載、蓄電池並聯工作，整流模塊除了給通信設備供電外，還為蓄電池提供浮充電流；當市電斷電時，整流模塊停止工作，由蓄電池給通信設備供電，維持通信設備的正常工作；市電恢復後，整流模塊重新給通信設備供電，並對蓄電池進行充電，補充消耗的電量 ^[4]  。

監控模塊採用集中監控的方式對交流配電、直流配電進行管理，同時通過RS485接口（或CAN接口）接收整流模塊的運行信息並進行相應的控制。監控模塊還可通過RS485、RS232、TCP/IP方式連接本地計算機，並可通過TCP/IP或其它傳輸資源（如公務信道等）連接監控中心，實現電源系統的集中監控組網；必要時，可選用ZigBee通信模塊實現本地無線組網。此外，監控模塊還提供USB口用於本地應用軟件升級或拷貝告警信息LOG文件 ^[4]  。

本系統的最終應用是作為直流通信電源系統（如組合電源系統、獨立的開關電源系統、嵌入式開關電源系統等）的核心子系統來工作的。因此，本系統還具備滿足應用要求的並聯、遙控、遙信、遙測等功能 ^[4]  。

監控系統是高頻開關型整流器的監控中心，監視和協調各整流模塊的工作，檢測系統的各項參數，處理告警信息，提供人機界面給用户操作，從而控制整個電源系統的運行。監控系統的結構如圖2所示。監控系統主要由告警模塊、RS485和RS232通信接口以及整流模塊內的單片機等組成。告警模塊通過RS485通信接口與各個整流模塊連接通信，以監控其運行情況。告警模塊同時通過RS232通信接口與外設的PC機或終端機相互通信訪問，並通過調制解調器實現“三遙” ^[3]  。

監控系統主要能夠實現以下功能

(1)控制高頻開關電源系統的正常運行 ^[3]  。

(2)提供人機界面，接受維護人員對高頻開關型整流器的控制 ^[3]  。

(3)告警。監控系統連續不斷地監視高頻開關整流器的運行，一旦發現異常情況，就會產生一系列告警動作 ^[3]  。

(4)對蓄電池實施完善的監控功能 ^[3]  。

(5)自動記錄、儲存高頻開關型整流器的運行信息 ^[3]  。

(6)對整流模塊實施完善的監控。①使整流模塊按系統設置運行。②負載自動均分；告警模塊通過整流模塊不斷監測系統輸出電流，若發現個別整流模塊的輸出電流與系統中所有整流模塊的平均輸出電流值相差超過4A，則控制所有輸出電流過大的整流模塊降低一個單位的輸出電壓，使該模塊輸出電流減少；同時控制所有輸出電流過小的整流模塊提高輸出電壓一個單位，使該模塊輸出電流增加。在告警模塊的控制下，整流模塊之間自動重新分配負載，從而達到均流工作的目的。③輸出過壓自動關閉。④限制輸出電流。⑤整流模塊運行狀態信息自動儲存 ^[3]  。

在線通信用可控硅整流電源自身電耗高、效率低，使運行成本增加；設備老化陳舊缺配件而難於維修，造成電源安全供電可靠性降低；智能控制功能差影響到蓄電池組的正常使用；當今通信技術的發展對電源設備提出了更高的技術指標及質量要求，經對比技術分析，對在線電源設備實施更新改造，應用技術上先進、安全性、經濟性更好的高頻開關整流器電源取代相控可控硅整流電源，具有一定現實意義 ^[7]  。

通信電源的性能直接影響到通信與網絡的信號質量和可靠性。隨着通信技術的發展，對通信電源的要求也越來越高，曾經一統天下的相控可控硅整流電源，由於存在系統效率低，自身能耗高，蓄電池組聯機管理功能差，且不易維護等問題，已滿足不了現代通信對供電質量和可靠性的要求，逐步被性能更為優良的高頻開關整流器電源所取代 ^[7]  。

應用高頻開關整流器電源，對提高通信系統及設備的安全供電可靠性是富有成效的，對提高通信質量和信息網絡的可靠性起着至關重要的作用，對企業降低消耗、降低生產成本，提高生產經營效益是毋庸置疑的。因此，更新陳舊及存在隱患的電源設備是非常必要的 ^[7]  。

在電解行業傳統生產方式中，以可控硅整流器為主的供配電系統損耗較大，功率因數較低，會在電網生成大量諧波。不僅產生電磁干擾，還降低設備的效率。高頻開關電源作為新型電源，通過採用高頻變換、脈寬調節控制等先進電力電子技術，在電解行業中應用日趨廣泛 ^[8]  。

高頻開關電源體積小，附加諧波少，便於維護操作。以高頻開關電源為核心的整套工藝供配電系統節約了能源，節約了人力，降低了相關費用的支出，使企業產生了良好的經濟效益。高頻開關電源做為新一代電解電源，實現了電源系統的綠色化，順應了國家能源發展趨勢，是建設節約型社會的一種應用趨勢 ^[8]  。