淺析48V/50A開關電源整流模塊主電路設計

高頻開關電源系統具有體積小，重量輕，高效節能，輸出紋波小，輸出雜音電壓小和動態響應性能好等很多優點，現已開始逐步地取代整流式電源而成為現代通訊設備的新型基礎電源系統［1］。隨著電子技術，電力電子技術，自動控制技術和計算機控制技術的發展，高頻開關電源系統的性能也越來越好。通信用開關電源系統作為開關式穩壓電源的一種形式，它的設計內容和設計方法都具有自己的特殊性。

要設計一套通信用開關電源系統，首先要明白對它的全面要求，然后再設計系統的各個部分。高頻開關電源主回路和控制回路所用的電路形式，元器件，控制方式都發展很快。它們的設計具有特殊的內容和方法。

1 設計要求和具體電路設計

通信基礎開關電源系統的關鍵部分是開關電源整流模塊。整流模塊的規格很多，結合在工作中遇到的實際情況，提出該模塊設計的硬指標如下：

1) 電網允許的電壓波動范圍

單相交流輸入，有效值波動范圍：220 V±20%，即176～264 V；頻率：45～65 Hz。

2) 直流輸出電壓，電流

輸出電壓：標稱－48V，調節范圍：浮充，43～565V；均充，45～58V。

輸出電流：額定值：50A。

3) 保護和告警性能

①當輸入電壓低到170 VAC或高到270 VAC，或散熱器溫度高到75 ℃時，自動關機。

②當模塊直流輸出電壓高到60 V，或輸出電流高到58～60 A時，自動關機。

③當輸出電流高到53～55 A時，自動限流，負載繼續加大時，調低輸出電壓。

4) 效率和功率因數

模塊的效率不低于88％，功率因數不低于0.99。

5) 其他指標

模塊的其他性能指標都要滿足“YD/T731”和“入網檢驗實施細則”等行業標準。

由于模塊的輸出功率不大，可采用如下的基本方案來設計主電路：

1) 單相交流輸入，采用高頻有源功率因數校正技術，以提高功率因數；

2) 采用雙正激變換電路拓撲形式，工作可靠性高；

3) 主開關管采用 VMOSFET，逆變開關頻率取為50 kHz；

4) 采用復合隔離的逆變壓器，一只變壓器雙端工作；

5) 采用倍流整流電路，便于繞制變壓器。

依照上述方案，即可設計出主電路的基本形式如圖1。

以下即可按照模塊設計的要求來確定主電路中各元器件的基本參數。

1) 輸出整流管的選擇

輸出整流二極管的工作波形如圖2所示。

由圖可見，二極管D５和D6的峰值電流約為50 A，平均電流為25 A。D５和D6承受的最高反向電壓為：

VD＝Vidcmax/n=395V/3≈132V

因此，可以選擇300∶400 V，50∶60

A的超快軟恢復的整流二極管模塊，如ST的STTA12004T(V),260 A等。

2)逆變主開關管的選擇

開關管的電流ICM等于逆變變壓器原邊的電流Ｉ1，即：

ICM=I1

=I2/n=25 A/3≈8.3 A

所以，逆變主開關管T1∶T4可以選擇(550∶600)V，(20∶30)A的VMOSFET，如IR的IRFK3FC50等模塊。

續流二極管D1∶D4可以選擇(550∶600)V，(15∶20)A的快速恢復二極管。

3)濾波電感的計算

直流輸出LC濾波的工作頻率為100 kHz，通信開關電源整流模塊要求在5％的額定負載下，保證雜音滿足指標。額定情況下，最大占空比：

4)濾波電解電容的計算

按照離散雜音的要求，電容上允許的100 kHz下的紋波Δuc=3 mV。通過選擇開關電源專用電解電容并和無極性電容并聯，將總的ESZ控制在1.5 mΩ以下，則有：

C=ΔiLT/(t×ΔVc)≈5 556 μH

2 結語

現代通信設備已開始廣泛地采用開關式基礎電源系統。本文結合筆者所在的“通信原理試驗室”建設情況，設計了開關電源系統整流模塊的主電路。該電路已經成功應用于試驗室供電系統，完全符合設計要求，達到了預期的目的。