通信電源的發(fā)展趨勢

1、For personal use only in study and research; not forcommercial use通信電源的發(fā)展趨勢便于讀者理解通信電源發(fā)展趨勢，首先要介紹一次電源和二次電源。一次電源和二次電源一次電源是指將電網(wǎng)市電變換成標(biāo)稱值為 48 V的直流電。傳統(tǒng)采用可控硅相控整流技術(shù)，比起歷史上曾經(jīng)采用的汞弧整流器經(jīng)過電阻網(wǎng)絡(luò)來得到不同大小的直流電壓來說，是一次革命。缺點(diǎn)是比起用電的通信主機(jī)來說，體積龐大、笨重，熱損耗較大，輸出紋波大，無功功率較大，對電網(wǎng)污染明顯。由于通信設(shè)備近年來集成化發(fā)展很快，體積重量明顯減小，因而對電源裝置的小型化提出了更高的要求。新型的通信用

2、一次電源，就是高頻開關(guān)整流電源，是將市電直接整流，然后經(jīng)過高頻開關(guān)功率變換，得到高頻交流電，再經(jīng)過整流濾波而得到48V輸出的直流電。這里市電50HZ的工頻變壓器沒有了，代替的是在高頻功率變換之后的高頻變壓器一一變壓器的 體積和重量都減小了；紋波頻率高，濾波環(huán)節(jié)也明顯地減小了體積重量，并且使電性能也得到提高。采用大功率晶體管的高頻整流電源，在技術(shù)上是一次飛躍。正因?yàn)槿绱耍?994年我國郵電部做出重大決策，要求通信領(lǐng)域推廣應(yīng)用開關(guān)電源，以取代相控電源。幾年來的實(shí)踐已經(jīng)證明，這一決策為國家節(jié)省了大量銅材、鋼材和占地面積。由于變換效率高，能耗減少，既達(dá)到了節(jié)能，又降低了電源環(huán)境的室溫，還改善了工作人員

3、的工作環(huán)境。80 年代，大功率晶體管主要采用雙極型功率晶體管，開關(guān)工作頻率常用20khz。后來又采用絕緣柵雙極型功率晶體管（IGBD ,工作電壓和電流定額（即單管容量）明顯 地增大了。到了 90年代，由于功率場效應(yīng)管 MOSFE的技術(shù)進(jìn)步而被廣泛采用，開關(guān)工作頻率采用100kHz 或更高。我國近幾年用于通信的高頻開關(guān)整流電源發(fā)展迅速，單個模塊已先后推出 48V720A、48V/30A、48V/50A、48V/75A、48V/ 100A 48V/200A等系列化產(chǎn)品，以滿足不同容量不同場合的用電需求。產(chǎn)品技術(shù)水平能與進(jìn)口產(chǎn)品相媲美，部分產(chǎn)品已有少量出口。當(dāng)然，國內(nèi)也有不少進(jìn)口品牌電源，因此在這一

4、領(lǐng)域已經(jīng)形成競爭局面。二次電源是指通信設(shè)備內(nèi)部集成電路芯片等所需用的直流電源。要求體積要小，輸出電壓多種多樣，用得較多的有± 5V。大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用，如微處理器，發(fā)展趨勢是速度更快，電壓更低，需要的電流容量一直在增加。以英特爾微處理器為例，工作電壓是23 /10A;操作頻率是300MHz預(yù)計兩年內(nèi)它的工作電壓會降到 1V或0. 8V, 操作頻率為1000MHz將一次電源輸出的48V直流電，經(jīng)過D。DC高頻開關(guān)功率變換， 獲得不同大小的直流電壓輸出，即是二次電源。二次電源的特點(diǎn)是體積小，動態(tài)特性好，工作頻率100KHZW上。通信電源的發(fā)展趨勢一次電源或二次電源，無一例外地都是采

5、用高頻開關(guān)直流電源。通信電源作為高頻開關(guān)直流電源的一個典型，發(fā)展到今天已經(jīng)有十多年歷史了。十多年來，采用高頻開關(guān)直流電源的通信電源，它的發(fā)展趨勢，可概括為：高頻化、高效率、無污染、模塊化。1 高頻化是縮小電源體積重量、提高功率密度的重要技術(shù)途徑；高頻化又是提高電源動態(tài)品質(zhì)的重委保證。小功率D。DC直流二次電源，開關(guān)頻率將達(dá)到1兆赫或更高。功率密 度也將由現(xiàn)在的每立方英寸50W梃高到100w以上。2 高效率作為電源，效率是重要的指標(biāo)之一。效率高，發(fā)熱損耗小，散熱容 易，才容易做到高功率密度。高頻化的結(jié)果使開關(guān)損耗顯著增加。因此，80年代后期以來，軟開關(guān)變換技術(shù)的研究，始終是電源技術(shù)研究的熱門課題

6、。80年代后期，美國弗基尼亞電力電子研究中心應(yīng)用諧振軟開關(guān)技術(shù)成功地制造出了兆赫級開關(guān)頻率、功率密度為50 瓦英寸3 的開關(guān)電源。這種電路結(jié)構(gòu)，在較大功率輸出時，又表現(xiàn)出不足。因?yàn)楣β势骷_關(guān)損耗極?。ɡ碚撋蠟榱悖?，但是諧報電流很大，引起導(dǎo)通損耗增加，由此效率并未能提高。由于諧報電壓也較大，線路中LC 元件并不能由于頻率提高而明顯減小體積。又因?yàn)椴捎谜{(diào)頻控制輸出的大小，輸出諧波頻譜隨控制而改變，這給輸出濾波設(shè)計帶來困難，因此不得不在最壞的情況下（即工作頻率最低時）設(shè)計濾波器，結(jié)果體積常常偏大。針對諧振變換軟開關(guān)技術(shù)存在的不足，在90 年代初，美國弗基尼亞電力電子研究中心主任李澤元教授提出了 “

7、軟開關(guān) P. W M概念，即功率開關(guān)器件只是在開關(guān)轉(zhuǎn)換前后的一個小區(qū)間與線路加LC 元件工作在諧振狀態(tài)，以構(gòu)成電壓或電流的過零點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)功率器件的軟開 關(guān)，在開關(guān)全周期工作在P. W M模式。由于“開通”、“關(guān)斷”都是零電壓，因此又稱 “零電壓轉(zhuǎn)換”（ZVT， Zero VoltageTransition ）。這種電路結(jié)構(gòu)在高頻電能變換中，即組成各種高頻開關(guān)電源中，將得到廣泛應(yīng)用。軟開關(guān)技術(shù)理論上可使開關(guān)損耗為零；實(shí)際上，可使目前的各種電源模塊的變換效率由80 提高到90以上，達(dá)到了高頻率、高效率的功率變換。3 無污染一電力電子裝置和電源的大量廣泛應(yīng)用，使輸入電流中的諧波顯著增加，功率因數(shù)顯著降

8、低，使供電網(wǎng)受到污染。開關(guān)電源的輸入端常常是二極管整流一電容濾波的組合電路，其輸入電流波形呈尖脈沖狀，交流側(cè)功率因數(shù)只有0.6-0.7 。為了限制電器設(shè)備對電網(wǎng)發(fā)射諧波電流，國際上已經(jīng)制訂了許多標(biāo)準(zhǔn)，如針對中小功率電器設(shè)備的IEC555 2，適用于大功率電器設(shè)備的IEC1000 3 2等。提高AO DC （高頻開關(guān)整流電源）開關(guān)電源的輸入端功率因數(shù)，可用有源或無源 功率因數(shù)校正（PFC技術(shù)。無源校正技術(shù)簡單，即應(yīng)用 LC濾波網(wǎng)絡(luò)，可以滿足IEC1000 3 2 標(biāo)準(zhǔn)，功率因數(shù)可以達(dá)到0.92 以上，只不過濾波網(wǎng)絡(luò)體積重量較大。有源校正技術(shù)是在輸入整流和DC DC功率變換之間加一級有源功率因數(shù)校

9、正（APFC電路，實(shí)際上 也是一種DC- DC變換器，利用控制電路（現(xiàn)在有專用集成控制芯片），使輸入端電流波 形接近正弦并保持與電壓同相，從而使輸入端功率團(tuán)數(shù)接近于1， 電路成本約增加20 。據(jù)報道，國外已將軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用于APFCt源校正，采用單相Boost主電路應(yīng)用IGBT功率器件，用本電壓轉(zhuǎn)換（ZVT）PW極術(shù)，工作頻率100KHz功率1KW交流輸入電壓 180260V,效率達(dá)到了 97%?，F(xiàn)在國內(nèi)正在研究開發(fā)單級高功率因數(shù)電路，即 APFC4路和開關(guān)電源只用一級主 電路構(gòu)成。成本只增5%于計首先在小功事AC-DCF關(guān)電源上實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)三相有源PFC要比實(shí)現(xiàn)單相的APFC困難得多?，F(xiàn)在已提

10、出了多種方案，但只有理論分析和某些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，成熟的商品還很少。4 模塊化一以適應(yīng)分布式電源系統(tǒng)供電的需要。過去功率不大時，電源均是采 用單一集中的供電方式。近年來均是采用分布式供電。這是由于：（ 1）分布式供電，具有節(jié)能、高效經(jīng)濟(jì)、維護(hù)方便、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。（2）適用于低傳輸損耗，超高速型集成電路低電壓電源（2.2V、3.3V）的供電要 求。（ 3）當(dāng)需要大功率輸出時，可采用小功率電源模塊、大規(guī)?？刂萍呻娐纷龌静考M成積木式智能化大功率供電電源。這樣做帶來的好處是：極大地減輕了對大功 率元器件 的研制壓力；減輕了對大功率電源裝置的研制壓力。（ 4）聯(lián)系到通信系統(tǒng)供電的實(shí)際，分布供電就是將

11、大型的通信局（站）的通信設(shè)備分 割成幾部分，每一部分將由一套容量最為合適的電源設(shè)備供電，不僅使電源設(shè)備工作安全性提高，而且把電源設(shè)備故障的影響限制在一定范圍內(nèi)。分布式供電，使電力室至通信設(shè)備機(jī) 房的饋電線由直流48V改為交流220V,提高了饋線送電效率。分布式供電也分散了蓄電池室，使每一蓄電池室降低了供電負(fù)荷，提高了蓄電池組工作的安全性。分布式供電縮短了蓄電池室和通信設(shè)備機(jī)房之間的距離，大幅度減少了直流送電的損耗?？梢灶A(yù)見，在相當(dāng)長一段時期，信息產(chǎn)業(yè)仍將成為國民經(jīng)濟(jì)增長的焦點(diǎn)，這也是 推動開關(guān)電源發(fā)展的重要動力?，F(xiàn)在再講兩點(diǎn)可以預(yù)見到的一通信電源主要發(fā)展展望。第一、功單半導(dǎo)體器件是開關(guān)電圖發(fā)展

12、的重要支撐功率半導(dǎo)體器件仍然是開關(guān)電源發(fā)展的“龍頭”。功率場效應(yīng)管（MOSFET由于單極性多子導(dǎo)電，顯著地減小了開關(guān)時間，因而很 容易達(dá)到100kHz的開關(guān)頻率而受到世人矚目。這種器件現(xiàn)在的重點(diǎn)在于如何降低通態(tài)電 阻。美國IR公司用提高單位面積內(nèi)原胞個數(shù)的方法。 如該公司開發(fā)的一種HEXFE揚(yáng)效應(yīng) 管，其溝槽（Trench）原胞密度，已達(dá)世界最高的每平方英寸 1.12億個的水平。通態(tài)電 阻RDSM達(dá)3毫歐，自1996年以來，其以每年50%的速度下降。IR公司還開發(fā)了一種低 柵極電荷（Qg即輸入電容很?。┑腍EXFET使開關(guān)速度更快。同時應(yīng)當(dāng)看到，作半導(dǎo)體器件材料的硅，已經(jīng)“統(tǒng)治”了半導(dǎo)體器件超

13、過了 50 年，挖掘 硅性能的潛力已很難。有關(guān)半導(dǎo)體器件材料的研究，從70 年代以來始終在進(jìn)行著。進(jìn)入90年 代以后，對碳化硅（SIC）的研究達(dá)到了熱點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，應(yīng)用 SIC的半導(dǎo)體 器件，其導(dǎo)通電 阻只有Si器件的1/200;如電壓較高的硅功率 MOSFET導(dǎo)通壓降達(dá)3 4V,而SIC功率MOSFET導(dǎo)通壓降小于1V,而關(guān)斷時間小于10ns。目前的問題是要進(jìn) 一步改善SIC表面與金屬的接觸 特性和更完善SIC的制造工藝。有把握地說，再經(jīng)過 5 年不會超過10 年，這些問題都會得到很好的解決。到用SIC 制造的半導(dǎo)體器件得到廣泛應(yīng)用時，對開關(guān)電源的影響將會是革命性的。第二、電路集成和系統(tǒng)集成

14、半導(dǎo)體器件或電路的發(fā)展方向是模塊化、集成化。如控制電路現(xiàn)在多已制成專用集成電路。具有各種控制功能的專用芯片近幾年發(fā)展很快，如功率團(tuán)數(shù)校正（ PFC電路 用的控制芯片，并聯(lián)均流控制芯片，較開關(guān)控制用的 ZVS ZCSE片，ZVT ZCTPWM用控 制芯片，電流反 饋控制芯片等等。功率器件則有功率集成電路（Power IC）和IPMo IPM 是 IGBT 作功率開關(guān)，集控制、驅(qū)動、保護(hù)、檢測電路封裝在一個模塊內(nèi)。由于外部接線、焊點(diǎn)減少，可靠性明顯增加。集成化、模塊化使電源產(chǎn)品體積小、可靠性高，給應(yīng)用帶來極大方便。電路集成的進(jìn)一步發(fā)展是做系統(tǒng)集成。美國VICO愁司生產(chǎn)的第一代電源模塊受生產(chǎn)技術(shù)、功

15、率和磁元件體積、封裝技術(shù)的限制，密度始終未能超過每立方英寸80W近年來推出的第二代電源模塊，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也改為模塊式，達(dá)到高度集成化和全面電腦化。功率密度已經(jīng)達(dá)到了 每立方英120w。電源模塊內(nèi)含元件只有第一代產(chǎn)品的1/3,由115個減為 35 個。第二代電源模塊的控制電路只含兩個元件，被稱作“大腦”（ Brain ）。“大腦”是兩片厚膜電路，由VICOR公司自己的無塵室自行開發(fā)生產(chǎn)，其總體積只有0.1立方英寸，取代了第一代產(chǎn)品中的約 100 個控制元件，體積縮小了60%。第二代產(chǎn)品中另一個突破是變壓器的改良，平板式變壓器使處理功率的密度達(dá)到了每立方英寸1000W。 第二代產(chǎn)品功率器件的管芯直接焊

16、接在基板上以取代第一代TO 200 封裝，可以提高散熱效率，降低寄生電感、電容和熱阻。第二代產(chǎn)品集成度顯然提高了，但還不是系統(tǒng)集成。仍以英特爾微處理器的供電電源為例，現(xiàn)在的做法是開關(guān)電源緊靠微處理器，這樣尚能滿足現(xiàn)在微處理器的要求。但將來微處理器工作電壓降為1V或0.8V,電流增加，速度更快的時候，現(xiàn)有的解決辦法將無法達(dá)到它的要求。三年前，美國弗基尼亞電力電子研究中心李澤元教授就提出要徹底解決問題，必須將開關(guān)電源與微處理器結(jié)合在一起。今天英特爾公司開始接受這一想法并在積極促成此事。提出的構(gòu)想是：開關(guān)電源緊密結(jié)合（集成）在微處理器主機(jī)板下面。這樣開關(guān)電源的大小必須與微處理器相當(dāng)，而現(xiàn)在的開關(guān)電源

17、要比微處理器大幾十倍。如何減小體積？這又面臨新的挑戰(zhàn)！可以預(yù)計，下面幾個問題是開關(guān)電源，自然也是通信電源發(fā)展的永恒方向：1 開關(guān)電源頻率要高，這樣動態(tài)響應(yīng)才能快；配合高速數(shù)字電路工作是必須的； 也是減小體積的重要途徑；2 體積要小，變壓器電感、電容都要減小體積；3 效率要高，散熱少，容易達(dá)到高功率密度。僅供個人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen fu r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l ' etude et la r