高频开关电源系统整流电路设计

　要设计一套通信用开关电源系统，首先要明白对它的全面要求，然后再设计系统的各个部分。高频开关电源主回路和控制回路所用的电路形式，元器件，控制方式都发展很快。它们的设计具有特殊的内容和方法。

　　1设计要求和具体电路设计

　　通信基础开关电源系统的关键部分是开关电源整流模块。整流模块的规格很多，结合在工

　　作中遇到的实际情况，提出该模块设计的硬指标如下：

　　1) 电网允许的电压波动范围

　　单相交流输入，有效值波动范围：220 V±20%，即176～264 V;频率：45～65 Hz。

　　2) 直流输出电压，电流

　　输出电压：标称-48V，调节范围：浮充，43～56?5V;均充，45～58V。

　　输出电流：额定值：50A。

　　3) 保护和告警性能

　　①当输入电压低到170 VAC或高到270 VAC，或散热器温度高到75 ℃时，自动关机。

　　②当模块直流输出电压高到60 V，或输出电流高到58～60 A时，自动关机。

　　③当输出电流高到53～55 A时，自动限流，负载继续加大时，调低输出电压。

　　4) 效率和功率因数

　　模块的效率不低于88%，功率因数不低于0.99。

　　5) 其他指标

　　模块的其他性能指标都要满足“YD/T731”和“入网检验实施细则”等行业标准。

　　由于模块的输出功率不大，可采用如下的基本方案来设计主电路：

　　1) 单相交流输入，采用高频有源功率因数校正技术，以提高功率因数;

　　2) 采用双正激变换电路拓扑形式，工作可靠性高;

　　3) 主开关管采用 VMOSFET，逆变开关频率取为50 kHz;

　　4) 采用复合隔离的逆变压器，一只变压器双端工作;

　　5) 采用倍流整流电路，便于绕制变压器。

　　依照上述方案，即可设计出主电路的基本形式如图1。

　　

 

　　以下即可按照模块设计的要求来确定主电路中各元器件的基本参数。

　　1) 输出整流管的选择

　　输出整流二极管的工作波形如图2所示。

　　

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　　由图可见，二极管D5和D6的峰值电流约为50 A，平均电流为25 A。D5和D6承受的最高反向电压为：

　　VD=Vidcmax/n=395V/3≈132V

　　因此，可以选择300∶400 V，50∶60

　　A的超快软恢复的整流二极管模块，如ST的STTA12004T(V),260 A等。

　　2)逆变主开关管的选择

　　开关管的电流ICM等于逆变变压器原边的电流I1，即：

　　ICM="I1

　　"=I2/n=25 A/3≈8.3 A

　　所以，逆变主开关管T1∶T4可以选择(550∶600)V，(20∶30)A的VMOSFET，如IR的IRFK3FC50等模块。

　　续流二极管D1∶D4可以选择(550∶600)V，(15∶20)A的快速恢复二极管。

　　3)滤波电感的计算

　　直流输出LC滤波的工作频率为100 kHz，通信开关电源整流模块要求在5%的额定负载下，保证杂音满足指标。额定情况下，最大占空比：

　　

 

　　4)滤波电解电容的计算

　　按照离散杂音的要求，电容上允许的100 kHz下的纹波Δuc=3 mV。通过选择开关电源专用电解电容并和无极性电容并联，将总的ESZ控制在1.5 mΩ以下，则有：

　　C=ΔiLT/(t×ΔVc)≈5 556 μH

　　2 结语

　　现代通信设备已开始广泛地采用开关式基础电源系统。本文结合笔者所在的“通信原理试验室”建设情况，设计了开关电源系统整流模块的主电路。该电路已经成功应用于试验室供电系统，完全符合设计要求，达到了预期的目的。