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通信电源设计前景范文1
关键词：高速铁路；通信电源；施工技术
中图分类号：U238文献标识码： A
一、铁路通信电源的系统特点
关于通信电源，铁道部陆续颁布了技术要求，制定了严格的设计规范，一直非常注重于这方面的技术管理，随着技术的改进，通信电源系统不断完善，设备规格大有提高，通信电源系统成为铁路部门的重要组成部分。作为供电系统，铁路通信电源独立于铁道部，由外供交流供电系统与直流供电系统组成，外供交流电源的来源有两部分组成，第一部分是铁路内部的变电所配电所等专用电源，第二是内部发电电源。每隔六十公里，铁路局设置一座10KV配电所，自动闭塞电力线路和电力贯通线供电赖此供给。
在铁路干线、运输较繁忙的支线无能建有连结铁路沿线两相邻变、配电所，对沿线各车站行车电力负荷等供电的10kV～35kV的电力贯通线路；自动闭塞区段不仅仅设置了电力贯通线，还设有自动闭塞电力线路，后者为专用电源，专门为铁路自动闭塞信号设备供电。电力贯通线路属于备用电源。高速铁路有严格的要求，无论是任何情况，必须保证正常供电。专网通信系统都配备精良，准备充足，确保无虞。应急油机、开关整流设备、免维护蓄电池等电源供电系统应有尽有，把这些设备维护好了，它们的寿命又得到了延长，就会减少故障，就会保证铁路专用通信的状态良好。对这些设备要经常进行检查、维护，定期检查和抽查交替，检查完毕制定检修项目表格，惟其如此还能够更可靠和稳定的让电源系统正常运转，从而保证高速铁路专网的良好运行。
二、铁路通信电源的重要组成部分
在铁路通信电源中阀控式密封蓄电池的使用频率较高，它是直流供电系统的重要组成部分。在市电正常的情况下，它与铁路通信供电设备整流器并联运行，虽然在它工作的过程中没有起到向铁路通信设备供电的作用，但它能够有效改善并提高供电设备整流器的供电质量，具有平滑滤波的作用。当市电出现异常或供电设备整流器不能正常工作的时候，蓄电池可以肩负起单独供电的任务，有效解决通信故障问题。虽然蓄电池有该有点，但其供电时间是十分有限的，不是无穷无尽的，因此在蓄电池内的电量完全放完以前，必须及时恢复供电，让供电设备整流器重新开机启动，输出质量高、稳定性强的直流电源为铁路通信设备供电，与此同时，还能向蓄电池进行安全均衡的充电。阀控式密封蓄电池的有点有很多，主要包括：电池体积小，污染少，能量大，对于出现故障的蓄电池维修渐变，可以节约占面积，将其与铁路通信设备同置一室，有效节约铁路通信设备安装工程的施工费用。因此，阀控制密封蓄电池在铁路通信设备中应用广泛。
三、高速铁路通信电源对电源系统的新要求
随着技术的提升，供电方案复杂多样，电源应用方案设计五彩纷呈。多组供电电压的一个最明显的的需求是低压、大电流。其次，模块化自由组合扩容互为备用，提高安全系数。模块化含义有二，第一个是功率器件，第二个是电源单元。频率一旦有所提高，引线寄生电感，对器件造成应力，就有了过电压、过电流毛刺的表现。最为突出的是集中监控和智能化、自动化。现代的信息发展一日千里，远程监测和控制已经运筹帷幄，这一切都能够在机房完成。更为精工的要求是，电源本身即可监控，并通过接口传输，立即直达远程维护中心，所有过程瞬息完成；这样，一切变异都在掌握之中，即时分析故障，维护及时，人力物力的投入达到最低化；工作效率得到最大的提高。智能化，就是电池能够进行全自动管理，自动检测，无需人员操作。出了故障，能够主动保护自身，自动报警、自动诊断与修复。另外，高速铁路通信电源对电源系统的新要求之一是小型化：经济、精良。蓄电池属于后备物品，十五年前就提出全密封免维护的概念产品，小型化的发展则灵活多变，经济适用。
四、高速铁路通信电源的施工技术要点
1、施工技术要点
铁路通信网分枢纽及以上通信设备均被列为一级负荷；分枢纽以下电源室和中间站通信机械室为二级负荷。一级负荷的供电标准是:从两个不同的变电所各引一路或从不同的母线段引出两路供电。因此分枢纽及以上通信设备是由两路可靠交流电源供电的；分枢纽以下由一路可靠交流电源供电，当其附近有第二路交流电源时，采用两路交流电源供电。
铁路通信自备发电电源一般采用油机发电机组，对满足日照要求或风速要求的地区，采用太阳能或风力发展电源作为备用电源也是一种可行的方案，但其一次性投资较高。自备交流发电机组，随着技术的进步，目前均采用具有自动投入，自动撤出，自动补给性能的设备，此外还必须具有标准化接口和通信协议，以完成其遥信、遥测和遥控功能，达到少人维护、无人值守的目的。
自备发电机组的设置是保证对通信设备不间断供电的唯一可靠措施，尤其是对灾害造成的故障，其中断时间很难确定。所以铁路通信站均要求配置自备发电机组；中间站通信机械室每2-4个站配置1台机动式发电机组，故障时，由通信工区携带至故障地点使用，以确保供电的可靠性，同地可减少蓄电池组的备用时间，从而降低蓄电池的容量。
自备交流发电机组的容量，按满足通信设备用交流功率、直流电源的浮充功率、蓄电池组的充电功率、通信站主机房内应提供保证的用电功率。保证照明一般接实际情况计算、无资料时，除主机房的照明予以保证外，其余房屋的照明功率可按其30-50%估算。
电源系统的可靠性是由交流供电系统，直流供电系统的可靠性共同组成，研究资料表明，交流供电系统的可靠性占系统总可靠性指标的65%，因此，提高交流供电可靠性最为重要。
2、电源系统维护
2.1防尘和定期除尘
大量的灰尘容易造成电源器件散热不好，特别在气候干燥的地区。通信电源系统在正常使用的过程中，维护的日常工作量比较少，主要是安排人员定期防尘除尘。而且一季度要彻底地清洁一次，而且在人员除尘时主要检查各连接件和插接件是否有松动和接触不牢固的状况发生。
2.2电源周边环境要保持洁净、恒温、恒湿
湿度和温度是衡量生产环境因素的重要衡量标准对生产的环节有着至关重要的作用。在一定体积的空气当中含有的水分越少，空气越干燥；反之成立。湿度就是空气的干湿程度。离开温度控制来谈湿度控制是无意义的。通信电源系统设备通常控制电子元件很多，电子元件本身对空间的温湿度都有一定的标准和要求，只有达到了恒温和恒湿，才能使电子设备保持良好的运作效率；而洁净的环境则是防止灰尘进入电源器件当中，造成不必要的器件故障。
五、高速铁路通信电源技术的发展趋势
“忽如一夜春风来”，高速铁路通信电源技术发展迅速，前景喜人，高效率高功率是大势所趋，网络化智能化的监控管理的实现标志着监控管理全数字化控制时期的到来，高速铁路通信电源技术安全、可靠、良好、绿色，随着高速铁路通信行业的发展，用高频开关电源取代相控电源，用钒电池组代替防酸式蓄电池，用计算机远程监控代替人工控制，是目前高速铁路通信电源的发展潮流。随着高速铁路通信行业的飞速发展，高速铁路通信电源系统从体制、规范、维护产品标准等方面不断纳入新观念、新技术、新产品，从而为高速铁路通信的腾飞奠定了坚实的基础，在通信产品方面，中达电通股份有限公司的通信电源、UPS以及监控产品堪称业中翘楚，品质优良，运行稳定，足可信赖。
结束语
做好铁路通信电源的维修工作，保障其良好运行，才能有效保证电源的供电质量。铁路通信电源的维修管理人员应该兢兢业业，对于铁路供电系统中存在的问题进行细致的分析，并找到有效的解决方案，这样才能保障铁路通信电源正常工作，有效提高电源工作的可靠性。
参考文献
[1]田红.略谈高速铁路通信电源[J].科技风,2013,03:159.
通信电源设计前景范文2
关键词：铁路电力；远动系统；措施
Abstract: with the railway modernization construction pace, railway power equipment automation degree unceasing enhancement, signal equipment for power supply quality requirements of the more and more is also high, power far dynamic system in power equipment operation is playing a more and more important role. According to the characteristics of dynamic power far, structure, function and so on several parts for detail.
Keywords: railway power; Far dynamic system; measures
中图分类号：TP87 文献标识码：A 文章编号： 一、引言 近年来，伴随着中国铁路五次大提速，中国铁路通信信号事业得到了迅速发展。为铁路通信信号设备服务的铁路电力行业技术也全面向微机化、网络化方面发展。
最近几年，做为网络化技术的核心，电力远动技术已开始在铁路电力行业得到广泛运用。目前，电力远动技术在各路局使用时一般采用的技术方案包含几部分内容。
铁路电力系统由铁路沿线变配电所、10kV贯通电力线路、低压配电系统及配套电力设施组成，担负着为铁路沿线信号电源、通信电源等一级负荷和动力照明等二、三级负荷的供电任务。铁路电力远动系统利用先进的计算机软硬件技术、网络通信技术，对铁路电力系统的各重要环节，如变配电所、通信电源、信号电源、贯通线10kV分断开关等，进行集中监视、控制、故障报警和处理，实现电力供电系统的自动化调度和管理，提高供电可靠性及运行管理和维护水平，保证铁路电力系统的安全、经济运行。 二、铁路电力系统特点
铁路电力系统由于应用的特殊性，在系统构成和功能上都有一些有别于地方电力系统的特点，主要体现在3个方面； （一）电压等级低，变（配）电所结构单一。从电力系统的角度看，铁路负荷属于终端负荷，直接面对最终用户，所以铁路电力系统绝大多数为10kV配电所和35kV变电所。 由于功能要求、应用范围基本相同，所以铁路电力系统中的变（配）电所构成基本相同，功能配置也变化不大，根据铁路变（配）电所结构与功能标准化的特点，在进行铁路电力系统配网自动化设计时，可以将变（配）电所的功能作为标准实现方式统一考虑。 （二）系统接线形式简单。铁路电力系统的接线就像铁路一样，是一个沿铁路敷设的单一辐射网，各变（配）电所沿线基本均匀分布，并且互相连接，构成手拉手供电方式。连接线有两种：一种是自闭线，还有一种是贯通线，可能二种连接线都有，也可能只有二者之一。（三）供电可靠性要求高。铁路电力系统虽然电压等级低，接线方式简单，电气集中设备及区间自闭信号点提供可靠、不间断电源但直接为铁路各车站供电，对供电可靠性的要求很高，其负荷（自动闭塞信号）的供电中断时间不能超过150ms。 三、典型铁路电力远动系统的构成 为了充分发挥电力贯通线作用，确保电力贯通线安全可靠供电，减少对铁路运输生产的影响，远动技术被引入到铁路电力系统。 铁路10kV电力远动系统是一个综合的铁路供电及设备运行管理系统，由铁路供电的特殊要求，决定其需要采集的数据量。铁路电力远动系统一般选用分层分布式系统结构，主要由远动控制主站、远动终端和通信通道三部分构成． 铁路电力远动系统对铁路配电所、电力线路及信号电源运行情况的实时监测控制，起到消灭事故隐患，加快故障处理速度，保证铁路行车供电的作用。
铁路电力远动系统采用N链式结构，即一台远动控制主站对应着N个被控端；系统一般除了具有遥测、遥控、遥信功能外，线路故障的功能。铁路电力远动系统如图1-1所示。
四、铁路电力远动系统的主要功能
（一）遥测、遥信、遥控功能。遥测、遥信、遥控和遥调是远动系统的基本功能。应用通信技术传送被测变量的测量值，称为远程测量，简称遥铡。应用通信技术完成对设备状态信息的监视，称为远程信号，简称遥信。 调度控制中心送给发电厂或变电所的远程命令有控制命令和调节命令等。应用通信技术，完成改变运行设备状态的命令称为远程命令，又称遥控，当调度控制中心需要直接抑制发电厂、变电所中的某些设备，如断路器的合闸、分间，发电机的开机、停机等，就发出相应的控制命令。这种应用通信技术，完成对有两个确定状态的运行设备的控制称为远程切换。在国内，通常把远程切换也称为遥控。 远动系统的功能根据电力系统的实际需要还在不断地扩展，为了有助于分析电力系统的事故、保证远动装置的正常远行和便于维护，还具有自检查、自诊断功能等等。 （二）线路故障检测。远动系统在线路故障检测中发挥了重要的作用。故障发生时，采用过电流检测原理，即判断线路电流是否超过整定值来检测故障。由FTU检测到故障并上报主站，主站系统首先完成故障自动定位功能，在确认线路失电的情况下，自动遥控断开故障线段两侧的负荷开关，隔离故障点，最后，自动下发遥控命令闭合两侧配电所出线开关，恢复非故障线段的供电，并给出提示信息和故障处理报告，供调度员作进一步分析。故障发生时，主站自动查找故障区间内所有FTU的暂态310值，找到最大值所在的FTU，则故障点位于该FTU相邻的某一侧。然后比较该FTU两侧的暂态310值，找到较大者，并比较最大值与较大值暂态零序电流的方向，如果相同，则故障点位于最大值FTU的另一侧；如果相反，则故障点位于两者之间。主站系统根据FTU上报的线路电压数据，高压断相故障的位置应该在第一个出现任意线电压或相电压低于断相故障电压上限门槛值(如小于180V)，而且大于断相电压下限门槛值（不为O，如大于30V）的开关和与其相邻的上游开关之间。铁路10kV电力贯通线自动化系统的实施，大大地提高了铁路供电的可靠性，减少了电力管理维护工作量，极大地推进了铁路供电管理的现代化进程，发展前景十分广阔。目前，该系统已应用于多条铁路线上。 五、铁路远动的实现问题 目前电力远动设备在使用中主要存在以下几个问题：(1)站端通信（FTU列车站）设备抗雷电能力弱，易损、故障多发。(2)接地电阻不能满足要求。(3)缺少电力远动专用通道。现在很多铁路的远动通信干道主要有两种，一是共用路局TMIS网：二是利用信号微机监测网，共用小带宽通道。这些直接影响了远动的使用。 针以上这些问题，一般整改需要：(1)整治不合格接地电阻：(2)用光缆代替一般电缆和网线。(3)改善电力远动通道，例如可以采用信号微机监测网，相对于使用路局TMIS网通道故障率低，能节省通道租用费。六、结束语
远动技术的应用，能够使调度值班员在调度中心就可以实时监控全线电力系统的运行情况，也能够使调度中心的上级主管部门及时掌握系统运行的状态，进一步提高故障分析的全面性；同时远程操作大大降低了操作人员人身事故发生的几率，适应了新时代经济发展的要求。
通信电源设计前景范文3
当前,电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用,实现高效率和高品质用电相结合。
1.电力电子技术的发展
现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。
1.1整流器时代
大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。
1.2逆变器时代
七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。
1.3变频器时代
进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。
2.现代电力电子的应用领域
2.1计算机高效率绿色电源
高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。
计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日“能源之星"计划规定,桌上型个人电脑或相关的设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求,提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通信用高频开关电源
通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。
因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。
2.3直流-直流(DC/DC)变换器
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,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源),同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。
通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。
2.4不间断电源(UPS)
不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。
现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。
目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速,已经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。
2.5变频器电源
变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器,将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。
国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期,日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年,其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成。变频空调除了变频电源外,还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。
2.6高频逆变式整流焊机电源
高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。
逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合,整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。
由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题,也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。
国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压60~75V,电流调节范围5~300A,重量29kg。
2.7大功率开关型高压直流电源
大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50~l59kV,电流达到0.5A以上,功率可达100kW。
自从70年代开始,日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz左右的中频,然后升压。进入80年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。
国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。
2.8电力有源滤波器
传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓“电力公害”,例如,不可控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数仅有0.5~0.6。
电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统LC滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流;(2)电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。
2.9分布式开关电源供电系统
分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件,利用最新理论和技术成果,组成积木式、智能化的大功率供电电源,从而使强电与弱电紧密结合,降低大功率元器件、大功率装置(集中式)的研制压力,提高生产效率。
八十年代初期,对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年代中后期,随着高频功率变换技术的迅述发展，各种变换器拓扑结构相继出现,结合大规模集成电路和功率元器件技术,使中小功率装置的集成成为可能,从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。自八十年代后期开始,这一方向已成为国际电力电子学界的研究热点,论文数量逐年增加，应用领域不断扩大。
分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳,也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为理想的供电方式。在大功率场合,如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。
3.高频开关电源的发展趋势
在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。
3.1高频化
理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5~l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为“开关变换类电源”,其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。
3.2模块化
模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。另外,大功率的开关电源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑,一般采用多个独立的模块单元并联工作,采用均流技术,所有模块共同分担负载电流,一旦其中某个模块失效,其它模块再平均分担负载电流。这样,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求,而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。
3.3数字化
在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC)问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。
3.4绿色化
电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电,这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。这些为2l世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。
现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下,由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性,使器件性能对开关电源性能的影响减至最小,新型的电源电路拓扑和新型的控制技术,可使功率开关工作在零电压或零电流状态,从而可大大的提高工作频率,提高开关电源工作效率,设计出性能优良的开关电源。
通信电源设计前景范文4
关键词：电力电子技术；开关电源
现代电源技术是应用电力电子半导体器件，综合自动控制、计算机(微处理器)技术和电磁技术的多学科边缘交又技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用，是现代电力电子技术的具 体应用。
当前，电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的基础，正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来，电力电子技术将使电源技术更加成熟、经 济、实用，实现高效率和高品质用电相结合。
1. 电力电子技术的发展
现代电力电子技术的发展方向，是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学，向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。
1.1 整流器时代
大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供，但是大约20%的电能是以直流形式消费的，其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电，因此在六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮，目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。
1.2 逆变器时代
七十年代出现了世界范围的能源危机，交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代，随着变频调速装置的普及，大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出，静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变，但工作频率较低，仅局限在中低频范围内。
1.3 变频器时代
进入八十年代，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世，导致了中小功率电源向高频化发展，而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现，又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世，是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计，到1995年底，功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步，而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率，使其性能更加完善可靠，而且使现代电子技术不断向高频化发展，为用电设备的高效节材节能，实现小型轻量化，机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。
2. 现代电力电子的应用领域
2.1 计算机高效率绿色电源
高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会，同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代，计算机全面采用了开关电源，率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。
计算机技术的发展，提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源，根据美国环境保护署l992年6月17日"能源之星"计划规定，桌上型个人电脑或相关的外围设备，在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦，就符合绿色电脑的要求，提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言，电源自身要消耗50瓦的能源。
2.2 通信用高频开关电源
通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中，通常将整流器称为一次电源，而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中，传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代，高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作，开关频率一般控制在50-100kHz范围内，实现高效率和小型化。近几年，开关整流器的功率容量不断扩大，单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。
因通信设备中所用集成电路的种类繁多，其电源电压也各不相同，在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块，从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压，这样可大大减小损耗、方便维护，且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上，对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加，通信电源容量也将不断增加。
2.3 直流-直流(DC/DC)变换器
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，这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源)， 同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。
通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化，模块采用高频PWM技术，开关频率在500kHz左右，功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展，要求电源模块实现小型化，因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构，目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块，功率密度有较大幅度的提高。
2.4 不间断电源(UPS)
不间断电源(UPS)是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。交流市电输入经整流器变成直流，一部分能量给蓄电池组充电，另一部分能量经逆变器变成交流，经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量，另一路备用电源通过电源转换开关来实现。
现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件，电源的噪声得以降低，而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入，可以实现对UPS的智能化管理，进行远程维护和远程诊断。
目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速，已经有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。
2.5 变频器电源
变频器电源主要用于交流电机的变频调速，其在电气传动系统中占据的地位日趋重要，已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压，然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器， 将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出，电源输出波形近似于正弦波，用于驱动交流异步电动机实现无级调速。
国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期，日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年，其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调，96年引进生产线生产变频空调器，逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成。变频空调除了变频电源外，还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略，精选功能组件，是空调变频电源研制的进一步发展方向。
2.6 高频逆变式整流焊机电源
高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源，代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化，这种电源更有着广阔的应用前景。
逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流，IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波，经高频变压器耦合， 整流滤波后成为稳定的直流，供电弧使用。
由于焊机电源的工作条件恶劣，频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中，因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题，也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器，通过对多参数、多信息的提取与分析，达到预知系统各种工作状态的目的，进而提前对系统做出调整和处理，解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。
国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A，负载持续率60%，全载电压60~75V，电流调节范围5~300A，重量29kg。
2.7 大功率开关型高压直流电源
大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50~l59kV，电流达到0.5A以上，功率可达100kW。
自从70年代开始，日本的一些公司开始采用逆变技术，将市电整流后逆变为3kHz左右的中频，然后升压。进入80年代，高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件，将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源，取消了高压变压器油箱，使变压器系统的体积进一步减小。
国内对静电除尘高压直流电源进行了研制，市电经整流变为直流，采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压，然后由高频变压器升压，最后整流为直流高压。在电阻负载条件下，输出直流电压达到55kV，电流达到15mA，工作频率为25.6kHz。
2.8 电力有源滤波器
传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时，将向电网注入大量的谐波电流，引起谐波损耗和干扰，同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象，即所谓"电力公害"，例如，不可控整流加电容滤波时，网侧三次谐波含量可达(70~80)%，网侧功率因数仅有0.5~0.6。
电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置，能克服传统LC滤波器的不足，是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压，还反馈输入平均电流; (2)电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。
2.9 分布式开关电源供电系统
分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件，利用最新理论和技术成果，组成积木式、智能化的大功率供电电源，从而使强电与弱电紧密结合，降低大功率元器件、大功率装置(集中式)的研制压力，提高生产效率。
八十年代初期，对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年代中后期，随着高频功率变换技术的迅述发展，各种变换器拓扑结构相继出现，结合大规模集成电路和功率元器件技术，使中小功率装置的集成成为可能，从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。自八十年代后期开始，这一方向已成为国际电力电子学界的研究热点，论文数量逐年增加，应用领域不断扩大。
分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳，也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为理想的供电方式。在大功率场合，如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。
3. 高频开关电源的发展趋势
在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源，传统的电路非常庞大而笨重，如果采用高顿开关电源技术，其体积和重量都会大幅度下降，而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中，更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率，从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术，更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。
3.1 高频化
理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz，提高400倍的话，用电设备的体积重量大体下降至工频设计的 5~l0%。无论是逆变式整流焊机，还是通讯电源用的开关式整流器，都是基于这一原理。同样，传统"整流行业"的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合 闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造， 成为"开关变换类电源"，其主要材料可以节约90%或更高，还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，带来显著节能、节水、节约材料的经济效益，更可体现技术含量的价值。
3.2 模块化
模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块，含有一单元、两单元、六单元直至七单元，包括开关器件和与之反并联的续流二极管，实质上都属于"标准"功率模块(SPM)。近年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去，构成了"智能化"功率模块(IPM)，不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。实际上，由于频率的不断提高，致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性，有些制造商开发了"用户专用"功率模块(ASPM)，它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再有传统的引线连接，这样的模块经过严格、合理的热、电、 机械方面的设计，达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片，再把整个模块固定在相应的散热器上，就构成一台新型的开关电源装置。由此可见，模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。这样，不但提高了功率容量， 在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求， 而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块，极大的提高系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作，而且为修复提供充分的时间。
转贴于 3.3 数字化
在传统功率电子技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代，电力电子技术 拟电路基础上的。但是，现在数字式信号、数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、容错等技术的植入。所以，在八、九十年代，对于各类电路和系统的设计来说，模拟技术还是有用的，特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC) 问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决，离不开模拟技术的知识，但是对于智能化的开关电源，需要用计算机控制时，数字化技术就离不开了。
3.4 绿色化
电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电， 这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染，国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准，如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上，许多功率电子节电设备，往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。20世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，有了多种修正功率因数的方法。
总而言之，电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展，新技术的出现又会使许多应用产品更新换代，还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现，将标志着这些技术的成熟，实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年，随着通信行业的发展，以开关电源技术为核心的通信用开关电源，仅国内有20多亿人民币的市场需求，吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋，因此，同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动，并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。
参考文献：
[1]林渭勋:浅谈半导体高频电力电子技术，电力电子技术选编，浙江大学，384-390，1992。
[2]季幼章:迎接知识经济时代，发展电源技术应用， 电源技术应用，N0.2，l998。
通信电源设计前景范文5
关键词：开关电源 控制模式 数字化控制 模块化
中图分类号：TM910 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）08（b）-0127-01
开关电源作为一种能够稳定持续输出电压的电源，其主要是由控制开关晶体管控制开通和关断时间的，因此，在开关电源中最重要、最核心的部分就是控制电路，本文进行了开关电源控制模式分析。
1 开关电源概述
开关电源是伴随着电力电子技术的进步而发展起来的，由于具有高效节能、轻巧便捷等特点，开关电源得到了越来越广泛的应用。开关电源的效率可达到85%以上，与普通的线性电源相比其效率提高了近一倍，且其可靠性也较高，采用了体积较小的散热器和滤波元件，具有良好的发展前途。可将开关电源分为AC/AC和DC/DC电源等类型，其中DC/DC电源变换器已实现了模块化的设计和发展，得到了广大用户的普遍认可。
2 开关电源发展历程
开关电源的发展已经经历了40多年，早期开发的开关频率非常低，且价格较高，只能应用于卫星等少数要求电源质量较高的领域。但自20世纪60年代晶闸管相位控制模式出现后开关电源经历了较快的发展，70年代时制约开关电源发展的瓶颈主要是效率问题，同时由于调试工作困难而难以大规模的推广应用。70年代后期，随着大规模集成电路技术的出现，各种专用的开关电源芯片进入市场，将控制电路、驱动电路、保护电路和检测电路封装在一起的模式非常有利于开关电源的发展，由于焊点减小提高了开关电源的可靠性，同时也由于集成化的发展是开关电源的体积减小，为应用带来了极大的便利。
如今，集成化的电源已被广泛应用于计算机、航天、彩色电视等各个领域，且随着微电子技术、半导体技术的进一步发展，功能更强大，集成度更高的超大规模集成电路的出现，电子设备的体积和重量仍在不断减小，但与之相匹配的电源体积却大的多，在现代化的电子产品中，电源的体积要比微处理器大10倍以上，因此，如何缩小电源的体积就是一项非常具有意义的研究课题。相关的理论分析表明，电源体积与其供电频率的平方根是呈反比例的，当电源频率从50Hz提高至20kHz后其体积将缩小400倍，但频率的提高也会对整个电路的元器件带来新的要求，目前超高频电源对电子器件的影响正在进一步研究之中。
我国从20世纪60年代开始就研制出了稳压电源，20世纪70年代后期稳压电源已在我国的白电视机及中小型计算机中进行了应用，其中主要是5V，20～200A，20kHz的AC/DC开关电源，自80年代开始进入大规模使用阶段，此时我国已开发出了0.5～5MHz的谐振软开关电源。
至80年代中期，我国通信电源在AC/DC及DC/DC开关电源领域中所占的比例还是较低的，从80年代开始，我国的通信电源开始进行大规模的更新换代，从传统的铁磁稳压电源更换为现代的晶闸管稳压电源，在逐步应用于办公室自动化设备中。至90年代我国又研制出了一种新型的专用开关电源，专门保障特殊领域的电源之用，如卫星运行过程中的开关电源及远程导弹系统中的开关电源等。多年来，虽然我国在开关电源的应用方面已经取得了很大的进步，但相比发达国家已较成熟的开关电源技术，我国在集成度和使用方法上仍存在较大不足，还应加强开关电源的研究与应用。
3 开关电源的数字控制技术
近年来，随着数字信号处理器及编程逻辑器等技术的快速发展，数字控制技术在诸多电力电子领域取得了广泛的应用，这些控制领域的计算和监控任务是非常复杂的，难以用模拟控制的方法完成较好的控制性能，因此产生了数字控制的要求。
随着DSP等电子器件的小型化及高速化发展，开关电源的控制也正朝着数字化的方向发展，数字化增强了开关电源控制部分的智能化水平，为实现动态远距离监测奠定了基础。在开关电源的市场中，标准电源的份额正在逐步扩大，但同时由于电源的使用是因系统不同而不同的，因此其对某种特制电源的需求是非常强烈的，数字化控制电源汇集了标准电源及特征电源的优点。
然而，当前开关电源的数字化控制还停留自半数字化阶段，对于控制器中技术难度最高的功率控制部分是现阶段还难以解决数字化控制，这也是当前学术界研究的重点内容之一。数字化控制技术是否能在开关电源中得到推广性的应用，主要取决于复杂控制的算法能否实现及能否满足较高的动态性能和指标等，这将是开关电源实现数字化控制所面临的核心问题。
通过数字化控制能够提高系统的灵活性，提高通信界面及抗干扰的能力，但在要求较高的开关电源中，控制精度、控制延迟及电流检测等因素是急需要解决的问题，在保护与监控电路、及系统的通信等方面都已实现了数字化，同时数字化也可以取代模拟电路来完成电源的启动动能，通过特定的界面实现系统的通讯与显示功能。随着越来越多的数字控制技术应用于电源的管理，开关电源的数字化技术必将得到广泛的应用，数字化控制技术是开关电源控制模式的发展方向，业界十分看好开关电源数字化发展前景。
4 电流型控制模式
开关电源的另类主要控制模式就是电流型开关电源控制，其与数字化控制模式相比具有以下几个方面的优点。
（1）具有较高的电压调整率，其调整过程与线性稳压电源类似，输入电压稍微变化即可反映电感电流的变化，不经过任何误差的放大就可完成脉冲比较进而输出脉冲宽度，这实际上是起到了前馈的控制作用。
（2）具有较好的回路稳定性能和负载响应性能。由于在电感中其电流脉冲的幅值是与输出电流的平均值相关的，因此电流型控制模式能较好地发挥电感的作用。
（3）具有逐个检测脉冲幅值的功能，简化了过载保护和短路功能，提高了工作的可靠性。且由于电流型控制模式控制内环是采用电感电流峰值检测技术的，因此可以灵敏地发现变压器或者开关管中的电流值，避免了过载和短路对变压器及开关管的影响。
（4）降低高频功率开关变换电路的功率损耗，提高开关电源的效率。由于功率开关管在开通和关断时有一定的功率损耗，但对电流控制型来说，因内环电流参加控制，使其较电压控制型这种单环控制更快速、准确。
（5）具有良好的并联运行能力。由于电流控制型的内环如同一个良好的受控电流放大器，所以使采用电流控制型的变换器可方便地并联工作，而不其它均流措施。
5 结语
开关电源的发展趋势是高频化和微型化，实现这一目标的主要手段是提高开关电源的控制频率，数字化控制技术作为解决该项问题的核心技术，具有广阔的应用前景，同时应结合电流控制模式的优点，实现开关电源的全数字化控制。
参考文献
通信电源设计前景范文6
关键词：雷击感应电压；通信基站；电源设备
引言
各种各样的通信网络已完全覆盖了世界的每一个角落，通信基站的安全运行是各个运营商关注的焦点。但是，由于历史原因、运营商的运营机制以及技术力量的多方面限制，确保通信基站安全运行所付出的代价是惨重的。我国三大运营商中，每一个运营商在一个省（直辖市）内的基站数量大致在数千（5000到10000）个左右。这些通信基站大部分分布在偏远的地带，基本处于无人值守的状态。所处的地理环境、气候环境、人文环境以及电力环境极其复杂甚至是恶劣。所以保证其安全运行是每一个运营商头疼的问题。据不完全统计，通信基站的安全运行维护费用占据了运营商运营费用的50%以上。近几年，随着通信基站数量的不断增加，其运行维护费用还在节节攀高。通信基站一旦建成，其工作寿命会长达20年甚至更久。因此通信基站的安全运行自其建成之期就一直存在，且随着工作年限越久，所需要的维护成本就越高。有关通信基站设备安全运行的理论研究可以说充斥通信学术领域，各研究机构分别提出了各种理论完善的解决方案和实现模型。但对于工程实际中的故障原因还没完全了解，因此诸多理论方案虽然完美，但基本上是束之高阁，没有被用于工程实际之中。
1 安全防护关键问题分析
1.1 雷击电压防护分析
根据我国现有通信基站设备防雷规范（GB50343、YD5068-98规范标准），通信基站内所有设备的防雷措施针对的防雷感应电压区起始间是3000V以上。对于3000V以下至500V的这一雷击感应电压区间，通信基站内的所有设备几乎都没有任何防护措施。而恰恰就是在这一区间所发生的通信基站设备毁损情况，占了通信基站设备故障量的70%以上。这也就是说，当前通信基站设备的毁损情况大都是在防雷系统安好的条件下发生的现象。
目前通信基站的防雷措施几乎全部是针对直击雷设计的。如避雷针，浪涌保护器等。对于二次雷击基本上没有有效的防护措施。而实际工程中，本项目发现，造成通信基站设备雷击灾害的主要原因恰恰是二次雷击的感应效应所引起的超限电压。
相邻两通信基站之间因接地电阻的不同引起的地电位反击是造成通信基站设备故障的关键原因之一。从理论上讲，要彻底解决这个问题的办法是将相邻通信基站的接地网实行等电位连接。但是，由于历史的原因，同一处地点、院落，往往是几家通信运营商的基站和铁塔共存。这涉及到多个运营商之间的利益协调，因此无法顺畅实现这一方案。
1.2 电网异常情况分析
农村电网的复杂多变的恶劣情况是通信基站设备故障发生的关键原因之一。农村电网复杂多变主要表现为：电压异常波动；断相；动力线中的中性线断路。原因是：
其一、农村电网普遍存在着线路老化，线损大、电压不稳定、管理不完善等突出问题。用电高峰期间，供电部门为了弥补线路老化和线损大等问题，往往采用提高供电周率和电压的方式加大供电能力，这样就形成了在供电的近段电压持续维持增高的情况。如遇用电突然下降，供电部门往往来不及调整，便造成供电电压的猛升，有时甚至高达20%-30%。
其二、用电高峰期，农电供应部门为了保证某一处的电力供应，往往采用断掉一相、甚至两相线路的方式。由于通信基站电源设备大多采用三相交流。单个电源模块的用电基本单相220V交流，电源设备正常工作时，电源模块的使用排列为由A＼B＼C＼的三相交流线路的平均分担。例如某一基站的直流供电电流为60A，使用额定30A的电源模块三个，每个模块平均分担的电流约20A左右，余量超过30%，足以应付一般的停电后在开机充电的情况。但是在一相断路的情况下，三个模块就剩下两个，这两个模块的供电电流就由原来的20A，变成30A，达到模块电流的使用极限。实际上由于受使用年限和多次维修的影响，有相当多的电源模块的技术性能早已大幅下降，不足以维持正常的使用，这时如果发生停电再启动的情况，两个模块所承担的实际负载电流将会大幅度增大，在这种情况下电源模块的损坏就再所难免了。如果此刻有两相线路断相，三块模块的60A电流，将全部由一块模块承担，这种情况下的电源模块必定要烧坏。
其三、三相动力线中的中性线断路的情况会更加糟糕，它会使原来加在各模块间的220V的相电压，突然大幅度升高（特定情况下最高可升至380V左右）。而中性线断相的情况在农村电网的发生概率始终居高不下。表1记录了石家庄某通信基站所用农村电网电压异常波动和电网断相情况。
目前通信基站的开关电源系统均有设计有过压、过流、欠压保护功能。然而这些保护功能仅仅是在输入电压发生情况时，例如发生二次感应雷击效应、过压、欠压、等危害情况，开关电源系统停止对基站二次供电设备48V的直流输出（此时通信基站主设备的供电自动转为备用蓄电池供电）。输入到开关电源系统的危害输入电压并没有得到有效消除，因此仍处基站的开关电源于上电工作状态，这样的情况下基站开关电源系统本身被击毁可能性非常大。
通信基站开关电源系统故障发生示意图如图1所示。
1.3 备用电源防护分析
当前绝大多数通信基站的交流供电系统均采用常开型动合式接触器或空气开关进行动力电源的断合控制，当通信电源因异常输入电压执行保护后，通信设备的供电转为蓄电池供电。一旦蓄电池能量耗尽，常开型动合式接触器或空气开关断开。此时，即使是交流供电恢复正常，也无法为后面的通信主设备提供48V直流电源。必须需要人工现场干预。这必然使通信基站停滞正常工作的时间延长，严重影响通信服务质量。
当基站遭遇频繁停电、长时间断电或其他异常原因所导致的通信基站交流电源系统停止直流48V输出后，对基站设备的供电实际上已经转入备用电池组供电。由于基站至今尚不能根据供电状况的变化，对正在运行的设备进行功耗及负荷调整。基站内通信设备在正常下的高耗电状况并未得到相应的改变。由此不仅不能维持较长时间的电池供电，还极易造成蓄电池长时间的过量放电，加速蓄电池的损坏。
综上所述，文章通过大量的资料检索和对三大运营商部分通信基站的多年勘测、实验以及技术改造后总结出以下几点：
（1）通信基站中的BTS主设备系统、传输系统、天馈线系统等设施的软、硬件故障的发生概率要比基站内的开关电源系统小得多，这主要是由于这些设备所采取的供电来自基站开关电源系统输出的二次直流48V供电。自身的运行状态和外界输入的交流动力电源完全是隔离的。因此雷击、异常电压波动、断相等现象，都不会直接影响到这些设备的正常工作。通信基站设备中，最容易发生安全故障的系统是其开关电源系统。
（2）通信基站设备主要的故障原因之一是由于雷击强感应电压引起，特别是二次雷击感应电压引起。
（3）原因之二是由于农村电网复杂多变的情况导致，如农村电网电压随机异常波动、农村电网断相。
（4）原因之三是各运营商通信基站之间的相互作用导致。主要是地电位反击引起的通信基站设备故障。
2 智能防护系统设计
2.1 系统原理
针对上述几点总结，文章提出的解决方案是：以通信基站交流电源系统安全运行为核心，以输入电压异常波动为触发信号，主动拦截因二次雷击、地电位反击以及交流电压波动或断相给通信基站主设备可能带来的损毁。通过动环监控网络（上行链路）与通信设备监控网络（0时隙）实现远程管理和自动控制。文章提出的解决方案以及与原通信基站系统、网管中心之间的关系如图2所示。由图2可知，文章的解决方案包括两部分：基站端和监控端。核心部分是基站端。
基站端系统完成对通信基站设备安全运行的防护工作。其中：（1）主控系统完成基站端整体系统的统一控制，接收来自其他子系统传递的数据信息，执行动合式断导器的断开与闭合。当系统交流输入电压因某种原因（二次雷击感应电压、地电位反击、电网异常波动、断相等）发生异常且超过安全阈值时，主系统将切断其380V交流输出，通信设备的供电转为蓄电池供电。从而实现对通信基站设备的安全防护。（2）欠压断相检测系统实现：交流输入电压的欠压分析；交流输入电网的断相分析；交流输入电网中性线断开分析。（3）数据智能处理系统的主要功能是：分析决断哪些系统状态、参数数据需要传递到网管中心；记录每次异常发生的情况，并对历史数据进行分析，得出所处通信基站异常情况发生的潜在规律，便于通信基站维护部门能根据规律更好的主动的开展维护工作；根据异常具体情况，弹性式设置对通信基站设备实行保护的持续时间长短。（4）电压超限检测系统实现对交流输入电压超限异常的检测分析。观察电压超限持续时间和超限幅度，从而判断引起超限的原因，并将检测分析结果传给数据智能处理系统。（5）保护定时系统的功能是一个定时器。本系统对于定时器的定时精度要求很低，精度能在1分钟左右即可。但对于定时器的可靠性要求很高，因此定时控制电路采用3级锁扣式结连方式，即使一级定时电路偶然失效，还会有两级控制最终将电路恢复。（6）网络接口系统负责本系统基站端和监控端的数据传输。
本系统监控端的主要功能如下：（1）接收来自基站端传输过来的状态数据，并存储。（2）下传指令修正通信基站设备的耗电负荷参数。（3）对本系统基站端实现开关机。（4）向网管中心上报异常信息。
有关解决方案说明以下几点：（1）本系统基站端是与通信基站空调系统呈并联关系。也就是说通信基站空调系统并不在保护范围之内。主要原因是：a.空调系统若在本系统的保护范围之内，当处于保护状态时，空调系统也将停止工作，若保护时间过长，将导致基站机房温湿度超出规定范围，可能导致或加速通信设备的损坏；b.通信基站空调系统交流输入直接取自配电盘，只要架空电力线在进入机房之前的外部防雷设计规范，那么空调系统遭受雷击感应电压的袭击概率是很小的；c.空调系统在启动时瞬间负载过大，对本系统自身安全不利。（2）本项目解决方案的基站端系统由蓄电池组供电。为了减小对蓄电池的影响，本系统的工作耗能和静态耗能都要较低方可。（3）基站端的主控系统在保护状态结束时，会通过闭合动合式断导器恢复对通信设备的交流供电。如果在保护状态结束之前，蓄电池能量耗尽，此时本系统基站端失去工作电压。但由于我们采用常闭式动合断导器控制方式，当本系统基站端失去工作电压时，常闭式动合断导器自动闭合，无须人工干预。（4） 本系统基站端通过动环监控网络实现与监控端系统连接，通过通信设备监控信道（0时隙）实现对通信设备耗电负荷参数的自动修正。（5）基站端系统由于处于强干扰环境下，因此从设计上必须采用高冗余电路指标设计，所有关键技术标准和元器件性能标准，在正常额定标准的基础上再提高一到两个数量级，确保稳定性和可靠性。
2.2 硬件系统
主控系统完成基站端整体系统的统一控制，接收来自其他子系统传递的数据信息，执行动合式断导器的断开与闭合。当系统交流输入电压因某种原因（二次雷击感应电压、地电位反击、电网异常波动、断相等）发生异常且超过安全阈值时，主系统将切断其380V交流输出，通信设备的供电转为蓄电池供电。从而实现对通信基站设备的安全防护。
主控系统的基本功能框图以及与其他子系统的关系如图3所示。
数据智能处理系统的主要功能是：分析决断哪些系统状态、参数数据需要传递到网管中心；记录每次异常发生的情况，并对历史数据进行分析，得出所处通信基站异常情况发生的潜在规律，便于通信基站维护部门能根据规律更好的主动的开展维护工作；根据异常具体情况，弹性式设置对通信基站设备实行保护的持续时间长短。其基本功能框图如图4所示。
由图4可以看出，数据智能处理系统以数据库为核心，由规律学习模块实现对数据的智能分析，找出本基站故障发生的规律。数据更新模块实现数据的添加、查寻、删减等基本操作。状态设置模块完成对保护定时的弹性设置。数据选择模块完成选择性上传数据的功能。
保护定时系统的功能是一个定时器。本系统对于定时器的定时精度要求很低，精度能在1分钟左右即可。但对于定时器的可靠性要求很高，因此定时控制电路采用三级锁扣式结连方式，即使一级定时电路偶然失效，还会有两级控制最终将电路恢复。
2.3 软件系统
软件系统分为两大部分：一是基站端固化在嵌入式设备里的软件系统；二是运行于网络监控中心监控终端电脑上的监控软件。下面分这两部分分别叙述其大致的构架。
基站端系统有两种状态：工作状态和待机状态。在待机状态下，除主控系统的部分电路和网络接口子系统在工作以外，其余所有电路均没有工作。动合式断导器处于常闭状态，交流电源直接进入到通信基站交流电源系统。在待机状态下，主控系统还负责接收来自网络中心的开机命令。一旦接收到网络或来自开关按钮的开机命令，系统则从待机状态转入工作状态。工作状态下所有子系统均在工作。此时各个子系统的工作流程如图6所示。数据智能处理子系统负责对各种状态信息、异常信息进行分析、存储和判断。其工作的主要流程如下（图6）。
本系统监控端是运行于网络中心监控终端电脑上的网络然间，该软件与原有的动力环境监控软件配合使用。主要完成以下几个功能：接收来自基站端的异常信息和状态信息；重要异常产生报警和进一步上报；数据存储和界面显示；通过动环监控网络给本系统基站端发送开关机指令；通过通信设备监控信道（0时隙）给通信设备发送负荷修正指令。
3 结束语
文章设计了一种通信基站电源设备的智能防护系统，文中对基站电源设备产生故障的原因进行了分析，并提出了系统解决方案。该系统在通信基站和电力系统的电源防护系统中具有广泛的应用前景。
参考文献
[1]张亚丽，徐忠宇.移动通信基站电源故障分析[J].信息化纵横，2009，3（60）：28-32.
