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开关电源由整流平滑电路、转换直流电压的DC-DC转换器，以及检测和反馈输出并得到稳定电压的稳压电路等组成。为了进一步提高效率、抑制噪声，开关电源在上述基本电路中又加入了各种电路技术。例如，整流平滑电路中的突入电流抑制电路就是其中之一。 开关电源的整流平滑电路氛围电容器输入型和扼流圈输入型。经过二极管整流后的电流仍然是脉动电流。为了使其平坦化，而在整流电路后面并联电容器的就是电容器输入型。电容器输入型虽然简便，但缺点是功率系数较低。功率系数是视在功率（电压计和电流计的测定值乘积）与有效功率的比值。功率系数低的话，就无法实现高效。 扼流圈输入型的目的是实现进一步的平坦化。它利用了线圈的类似刹车的作用（自我诱导），能降低脉动典雅（细波状电压变化），从而改善功率系数。不过随着扼流线圈的增加，电源的提及和重量也会增加。因此，一般的开关电源主要采用电容器输入型（近年来，为了解决此问题而搭载功率系数改善电路的电源也不断增多。这方面的详情将在之后的文章中介绍） 在电容器输入型方面，应对突入电流的对策逐渐成为了一个重要需求。突入电流是指在电源开关ON的瞬间流动的大电流。电容器输入型因为没有扼流圈，无法像刹车一样大幅削减突入电流，因此大电流会急剧地流入电容器。最简单的办法是串联电阻进去，但这样会造成功率损耗，因此仅适用于小功率的类型。一般的办法是采用热敏电阻或晶闸管。 热敏电阻是随温度上升而降低电阻的元件。突入电流流动导致温度上升，随之电阻下降，这样就能以少量功率损耗来抑制突入电流。晶闸管方案则是将晶闸管与电阻并联组成电路。晶闸管开始处于OFF状态，作为电阻抑制突入电流，在电容器充电完毕的时候，晶闸管变为ON，消除电阻减少损耗。在这样抑制突入电流用的小电路里，也为了省电和高效下了大量工夫。了解了这些，您是否感受到电力电子学的深奥冰山的一角了呢？ 来源：TDK

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0 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、配电模块、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。整流模块将输入三相交流电转换为直流电， 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模块是将整流和充电两项功能结合于一体的一种新型的整流模块。 2 整流模块的设计 整流模块是智能高频开关电源系统中的一个重要部分， 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模块整流原理的改进和完善， 利用无源PFC 和DC/ DC 变换器的原理， 使得改进后的模块能够有效完成整流作用。 本文设计的整流模块的工作原理框图如图2 所示，工作时， 模块首先通过过防雷处理和滤波对输入的三相交流进行处理， 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； 另外模块控制部分还有负责过压、过流以及短路保护等作用， 这样才能保证输出电压的稳定， 也同时能对模块各部件进行保护。模块还在远程监控中提供了 四遥 （遥控、遥调、遥测、遥信） 接口。 图2 整流模块的的工作原理图 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 整流模块的功能介绍 整流模块除了能将输入的交流（380 V、50 Hz） 变换成额定的直流输出（5A/ 230 V） 之外， 还具有保护功能和设置功能， 现将模块的保护功能和设置功能介绍如下： 3. 1 保护功能介绍 （1） 输出过压保护。输出电压过高会对用电设备造成重大事故， 为杜绝此类事故的发生， 在模块内部设有过压保护电路， 当出现过压后模块自动锁定， 同时模块的故障指示灯亮， 模块自动退出工作状态， 从而不会影响到整个系统的正常运行。 （2） 输出限流保护。因为每个整流模块的输出功率受到限制， 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， 模块自动调低输出电压以达到保护模块的功能。 （3） 短路保护。整流模块的输出特性如图5 所示，输出短路时模块在瞬间把输出电压拉低到零， 限制短路电流在限流点之下， 此时模块输出功率很小， 以达到保护模块的目的， 这样模块长期可以长期工作在短路状态而不至于损坏， 同时当故障排除后模块可以自动恢复工作。 图5 整流模块输出特性 （4） 模块并联保护。每个模块内部均有并联保护电路， 可以保证模块发生故障时自动退出系统， 从而不影响其他正常模块的工作。模块并联输出示意图如图6所示。 图6 模块并联输出示意图 （5） 过温保护。模块的过温保护主要是保护大功率变流器件， 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， 模块检测散热器温度超过一定值时， 就会自动关机保护， 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） 过流保护。过流保护主要是保护大功率变流器件， 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， 模块就会关闭功率器件， 以达到保护功率器件的目的。 3. 2 调节功能介绍 （1） 电压调节功能。模块的电压调节主要是指输出电压的调节， 在模块的输出端设有电压调节电位器，当模块和监控单元相连接时， 输出电压也可以由监控系统设定， 这时电位器调节无效。 （2） 测量功能。模块的测量功能主要是测量模块的输出电压和电流以及模块的工作状态， 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） 遥控功能。遥控： 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： 可以在模块工作时测量输出电流和输出电压的值； 遥信： 通过远程监控监测模块的工作状态。 4 结 语 本文主要对智能高频开关电源系统中的整流模块进行的设计与研究， 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模块的优点， 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。

　　一个隔离DC/DC变换器的参数之一是该变换器能够正常工作的输入电压范围。对于那些应用于48V输入电信市场的工业标准砖型产品，其输入电压范围通常是36V~75V，或输入电压的最高值和最低值之比为2:1。但是有很多的应用期望变换器能够处理更宽的输入电压范围。比如，在一些系统应用中分布式输入电压具有很大的瞬态和浪涌，而且持续时间很长，需要滤波器滤掉。 　　作为一个例子，表1显示在不同铁路系统标准中分布式电压的稳态和瞬态范围。军用车辆设计规范也需要类似的宽输入电压范围，这样可以满足其分布式电压的变化。使用宽输入电压范围DC/DC变换器的另外一个原因是建立一个可以被用于不同直流系统的“通用”产品，对于标称值为12V, 24V和48V的电池系统，一般需要提供三个不同的输入电压版本，作为替代，一个能够在9V到75V工作的变换器提供了单一解决方案。这种单一方案可以节省生产成本和降低库存。 　　尽管人们期望有一款宽输入变换器，但存在一个主要问题：在传统产品中，模块工作的输入电压范围越宽，变换器的性能越差。一般来讲，在给定的尺寸，比如1/4砖，变换器的效率和能够处理的功率会随输入电压范围变宽而降低。这是一种自然结果，因为在设计最高输入电压的同时，还必须处理在输入电压最低时所带来的非常大的输入电流。对于2:1输入范围的变化器，其最大输入电压和最大输入电流的积是需要处理功率的两倍，这种结果作为一个合理的折中是可以接受的。但是，当一个变换器设计用来处理8:1输入范围时，其最大输入电压和最大输入电流的积是需要处理功率的8倍，这种结果是非常极端的。对与变换器隔离变压器相关的功率电路来讲是非常严重的。 　　由于上述的限制，在商业上没有很多DC/DC变换器能够处理很宽的输入电压范围，但少数“超宽”4:1输入的变换器在给定的物理尺寸下典型处理不到1/2的功率，这是与只有2:1输入电压输入范围的变换器在相同尺寸下所处理的功率相比。另外，宽输入变换器的转换效率一般比2:1输入变换器低10%-25%。 　　在宽输入范围变换器中减少这种损失的一种方法是将变换器的调整功能从其隔离功能中分离出来，如图1所示。在此图中，变换器的第一级是非隔离降压变换器，同时通过改变占空比进行电压调整功能。变换器的第二级提供没有任何电压调整的电气隔离功能，而且一般还可以根据变压器的变比进行进一步的降压。这就是SynQor作为高效DC/DC变换器的领先者如何设计其所有的产品。 　　这种两级设计的优势是只有第一级看到了输入电压的宽范围。当宽输入电压带来的损失必须要这个第一级承担时，但这种损失并不严重，因为第一级不需要隔离变压器。对于含有变压器的隔离级，则无需面对宽输入电压范围。在这种两级设计中，其输入电压作为两级方案中的中间总线电压一直是不变的。这就允许隔离级被优化为单一工作条件，而且使得隔离级非常容易实现基于同步整流的设计，这种同步整流设计可以极大地降低功耗。在隔离级效率地提升弥补在调整级发生的任何附加损失都大有帮助。 　　图2显示了SynQor新系列产品IQ64系列8:1超宽输入半砖DC/DC变换器。表2显示了SynQor新系列产品的不同输入电压范围。从表中可以看出，除了正常的2:1 输入范围，还有4:1 输入范围的产品，甚至8:1输入范围的产品。对于3.3V输出电压的最大功率等级和典型效率也显示在此表中。尽管随着输入电压范围变宽，其功率等级和效率存在一些降低，但是并不非常明显。这就是两级拓扑方案对功率电路设计的结果。 　　除了能够满足不同输入电压范围的需求，SynQor工业级DC/DC变换器InQor系列是全密封设计，非常坚固，能够应用于苛刻的环境，而这种环境时常伴随着有如此挑战性技术要求的系统。

（接上篇）   4.2  最危险的用途—— 抑制瞬态 根据法楞次定律可知，当流经一个电感的电流突然被关断后，突然消失的磁场会在电感线圈上产生一个很高电压的脉冲，电压幅值高达几百伏甚至上千伏，如果不加以疏通的话，电感所在回路将很容易受到伤害。如果此时将一个二极管并联在电感两侧，那么二极管为高压脉冲提供了短路通道，从而保护了相邻的电路。一般用在 开关电源 、 继电器 和 电动机 上。如下图所示：   通常选择 足够功率容量 的整流二极管或者肖特基二极管。如上图就是肖特基二极管。 肖特基二极管价格贵些，但是反应液快些。注意无论何种二极管，一定要充分估量高脉冲的电压，所选二极管能够对付得来。这活还是比较危险的。   4.3 最好玩的用途—— 进行箝位 由于二极管有个导通电压，一般是硅二极管的话就是 0.6V, 所以，可以同时增加一个反向的二极管在信号波形的正向和负向上进行箝位，举例如下：   输入信号的幅值一旦比 VCC 高 0.2 或 0.6V 以上的话，会直接流向正电源端；一旦比 VEE 小 0.2V 或 0.6V 以上的话， 会直接流向负电源端，从而保护了运放的输入端。其他电路类似如此原理。     4.4  最广泛的用途——整流 整流是充分低利用了二极管的单向导电性。 通过阻塞波形的负半周把交流信号转换为脉动的直流信号。通常是与电容一起联合使用，二级管串联，电容并联，电容的作用是通过充放电使得输出脉冲更加平滑，更趋近直流，是为滤波电容。根据需要，分为半波整流和全波整流。下面是半波整流的举例： 4.5  最想不到的用途——倍压 在接触了箝位的用途后，二极管最让我想不到的地方便是，与电容联合使用还可以倍压的。 仅需要两个电容和两个二极管，输出端便可以得到输入信号的两倍幅值的电压。举例如下图： 当然，前提是输入信号是交流信号。在输入信号的负半周， D1 导通，给 C1 充电至峰值电压 Vin , 然后在下一个正半周， D2 导通，给 C2 充电，由于之前 C1 已经充至 Vin 电压，所以 C2 上的电压为变压器 A 边的峰值电压 Vin 加上 C1 存储的电压的总和，就是 2Vin. 在下一个负半周， D2 不导通， C2 将对负载放电。所以得到了 2 倍的输入电压。是为倍压。 4.6 最怪异的用途——稳压 我一开始觉得稳压二极管很怪，因为它是反着用的，正负颠倒使用，居然不会烧掉，等后来看书知道它的工作原理后便释然了。它也不容易啊。原理已在上面讲过，所以不赘述。   5 、结局 好了，回归最开始的问题，开关电源中电感旁边的二极管作用便十分清晰明了—— 抑制瞬态，保护电感所在回路。之所以选择肖特基二极管的原因是因为肖特基二极管的反应速度更快，以及它的导通电压更低。