中心議題：
- 高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
- 高頻開(kāi)關(guān)電源的整流模塊的設(shè)計(jì)
- 高頻開(kāi)關(guān)電源的整流模塊功能
本文主要闡述的是智能高頻開(kāi)關(guān)電源的整流模塊的設(shè)計(jì)方案。以智能高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中的整流模塊為研究對(duì)象，采用無(wú)源PFC 和DC/ DC 變換器的原理，對(duì)模塊的整流原理進(jìn)行設(shè)計(jì)和改善，經(jīng)過(guò)對(duì)整流模塊的硬件、電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試表明：該整流模塊可以有效地解決智能高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中整流問(wèn)題，同時(shí)，還具有可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性好且體積小、噪聲低、節(jié)能高效、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地滿足現(xiàn)代智能高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)要求。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)介紹
智能高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要由主監(jiān)控單元、配電模塊、交流配電單元、整流模塊等組成， 系統(tǒng)總體的結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。系統(tǒng)中的各個(gè)監(jiān)控單元受主監(jiān)控單元的管理和控制， 通過(guò)通信線將各個(gè)監(jiān)控單元采集的信息送給主監(jiān)控統(tǒng)一管理。主監(jiān)控顯示直流系統(tǒng)各種信息， 用戶也可以觸摸顯示屏查詢信息及操作，系統(tǒng)信息還可以接入到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中。系統(tǒng)除了交流監(jiān)控、直流監(jiān)控、開(kāi)關(guān)量監(jiān)控等基礎(chǔ)單位外， 還配置了絕緣監(jiān)測(cè)、降壓裝置、電池巡檢等功能單元， 以達(dá)到對(duì)直流系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控的目的。
圖1 系統(tǒng)控制原理圖
工作時(shí)兩路市電（ 交流） 經(jīng)過(guò)交流切換裝置輸入一路交流， 給各個(gè)整流模塊供電。整流模塊將輸入三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電， 給備用電源（ 蓄電池） 充電， 同時(shí)也給合閘母線負(fù)載供電， 另外合閘母線通過(guò)降壓裝置給控制母線供電。所以說(shuō)本文設(shè)計(jì)的整流模塊是將整流和充電兩項(xiàng)功能結(jié)合于一體的一種新型的整流模塊。
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2 整流模塊的設(shè)計(jì)
整流模塊是智能高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中的一個(gè)重要部分， 關(guān)系到系統(tǒng)的直流電壓輸出和工作時(shí)電壓輸出的穩(wěn)定狀況。本文的設(shè)計(jì)主要是對(duì)模塊整流原理的改進(jìn)和完善， 利用無(wú)源PFC 和DC/ DC 變換器的原理， 使得改進(jìn)后的模塊能夠有效完成整流作用。
本文設(shè)計(jì)的整流模塊的工作原理框圖如圖2 所示，工作時(shí)， 模塊首先通過(guò)過(guò)防雷處理和濾波對(duì)輸入的三相交流進(jìn)行處理， 這樣才能保證模塊后級(jí)電路的安全； 經(jīng)過(guò)處理后的三相交流經(jīng)過(guò)整流和無(wú)源PFC 后轉(zhuǎn)換成高壓直流時(shí)， 這時(shí)轉(zhuǎn)換的高壓直流要經(jīng)過(guò)DC/ DC 變換器再次轉(zhuǎn)換成可變的直流電壓輸出； 另外模塊控制部分還有負(fù)責(zé)過(guò)壓、過(guò)流以及短路保護(hù)等作用， 這樣才能保證輸出電壓的穩(wěn)定， 也同時(shí)能對(duì)模塊各部件進(jìn)行保護(hù)。模塊還在遠(yuǎn)程監(jiān)控中提供了 四遙 （ 遙控、遙調(diào)、遙測(cè)、遙信） 接口。
圖2 整流模塊的的工作原理圖
即功率因數(shù)校正（ Pow er Factor Correct ion, PFC）是指有效功率與總耗電量（ 視在功率） 之間的關(guān)系， 也就是有效功率除以總耗電量（ 視在功率） 的比值。無(wú)源PFC 是指不使用晶體管等一些有源器件組成的校正電路， 一般情況下由二極管、電阻、電容和電感等無(wú)源器材組成。本文的PFC 主要是在整流橋堆和濾波電容之間加1 個(gè)電感， 具體原理如圖3 所示， 利用電感上的電流不能突變的特性來(lái)平滑電容充電強(qiáng)脈沖的波動(dòng)， 改善電路中電流的畸變，并且利用電感上的電壓超前于電流這一特性來(lái)補(bǔ)償濾波電容電流超前電壓的特性， 使功率因數(shù)和電磁干擾都得以改善。
這種方式只是一種簡(jiǎn)單的補(bǔ)償措施， 只能做到抑制電流瞬時(shí)突變的目的， 但電流畸變的校正及功率因數(shù)的補(bǔ)償能力都很差 。
DC/ DC 變換器將一個(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓， 這種控制具有加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能，同時(shí)可以收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約20% ~ 30%的電能。直流斬波器不僅能起到調(diào)壓作用， 還能起到有效抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。
圖3 無(wú)源PFC 原理圖
本文的DC/ DC 變換器采用雙管正激式DC/ DC 變換器， 它的原理如圖4 所示， 變壓器T 1 起隔離和變壓的作用， 在輸出端要加一個(gè)電感器L o （ 續(xù)流電感） 起能量的儲(chǔ)存及傳遞作用， 變壓器初級(jí)無(wú)再有復(fù)位繞組， 因?yàn)閂D1 , VD2 的導(dǎo)通限制了兩個(gè)調(diào)整管關(guān)斷時(shí)所承受的電壓。輸出回路需有一個(gè)整流二極管VD3 和一個(gè)續(xù)流二極管VD4 （VD3，VD4 最好均選用恢復(fù)時(shí)間快的整流管） 。輸出濾波電容CO 應(yīng)選擇低、大容量的電容， 這樣有利于降低紋波電壓。雙管正激式DC/ DC 變換器的工作特點(diǎn)如下：
（1） 在任何工作條件下， 為使兩個(gè)開(kāi)關(guān)管所承受的電壓不會(huì)超過(guò)UIN , Ud （ UIN 為輸入電壓； Ud 為VD1 ,VD2 的正向壓降） , VD1 , VD2 必須是快恢復(fù)管， 其在實(shí)際設(shè)計(jì)和調(diào)試中恢復(fù)時(shí)間越短越好。
（2） 與單端正激式DC/ DC 變換器相比， 它無(wú)須復(fù)位電路， 這有利于簡(jiǎn)化電路和變壓器的設(shè)計(jì)； 它的功率器件可選擇較低的耐壓值； 它功率等級(jí)也會(huì)很大。
（3） 兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)一致， 會(huì)同時(shí)處于通態(tài)或斷態(tài)。所以使用在智能高頻開(kāi)關(guān)電源這樣大功率等級(jí)電源中比較適合。
圖4 雙管正激式DC/ DC 變換器的電路圖[page]
平滑濾波原理： 整流電路將交流電變?yōu)槊}動(dòng)直流電， 但其中含有大量的交流成分（ 稱(chēng)為紋波電壓） 。為了獲得平滑的直流電壓， 應(yīng)在整流電路的后面加接濾波電路， 以濾去交流部分。此時(shí)在橋式整流電路輸出端與負(fù)載之間并聯(lián)一個(gè)大電容， 采用電容濾波后使二極管得到的時(shí)間縮短， 由于電容CO 充電的瞬時(shí)電流較大， 形成了浪涌電流， 容易損壞二極管， 故在選擇二極管時(shí)， 必須留有足夠的電流裕量， 以免燒壞。
3 整流模塊的功能介紹
整流模塊除了能將輸入的交流（ 380 V、50 Hz） 變換成額定的直流輸出（ 5 A/ 230 V） 之外， 還具有保護(hù)功能和設(shè)置功能， 現(xiàn)將模塊的保護(hù)功能和設(shè)置功能介紹如下：
3. 1 保護(hù)功能介紹
（1） 輸出過(guò)壓保護(hù)。輸出電壓過(guò)高會(huì)對(duì)用電設(shè)備造成重大事故， 為杜絕此類(lèi)事故的發(fā)生， 在模塊內(nèi)部設(shè)有過(guò)壓保護(hù)電路， 當(dāng)出現(xiàn)過(guò)壓后模塊自動(dòng)鎖定， 同時(shí)模塊的故障指示燈亮， 模塊自動(dòng)退出工作狀態(tài)， 從而不會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
（2） 輸出限流保護(hù)。因?yàn)槊總€(gè)整流模塊的輸出功率受到限制， 輸出的電流不能過(guò)大。因此， 對(duì)每個(gè)模塊的輸出電流最大限制為額定輸出電流的1. 2 倍， 如果超出負(fù)載， 模塊自動(dòng)調(diào)低輸出電壓以達(dá)到保護(hù)模塊的功能。
（3） 短路保護(hù)。整流模塊的輸出特性如圖5 所示，輸出短路時(shí)模塊在瞬間把輸出電壓拉低到零， 限制短路電流在限流點(diǎn)之下， 此時(shí)模塊輸出功率很小， 以達(dá)到保護(hù)模塊的目的， 這樣模塊長(zhǎng)期可以長(zhǎng)期工作在短路狀態(tài)而不至于損壞， 同時(shí)當(dāng)故障排除后模塊可以自動(dòng)恢復(fù)工作。
圖5 整流模塊輸出特性
（4） 模塊并聯(lián)保護(hù)。每個(gè)模塊內(nèi)部均有并聯(lián)保護(hù)電路， 可以保證模塊發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)退出系統(tǒng)， 從而不影響其他正常模塊的工作。模塊并聯(lián)輸出示意圖如圖6所示。
圖6 模塊并聯(lián)輸出示意圖
（5） 過(guò)溫保護(hù)。模塊的過(guò)溫保護(hù)主要是保護(hù)大功率變流器件， 這些器件的結(jié)溫和電流過(guò)載能力均有安全極限值， 正常工作的情況下， 系統(tǒng)設(shè)計(jì)留有足夠余量， 但在一些特殊條件下， 如環(huán)境溫度過(guò)高、風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)燈情況下， 模塊檢測(cè)散熱器溫度超過(guò)一定值時(shí)， 就會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)保護(hù)， 當(dāng)溫度降低到能夠正常工作的溫度值時(shí)模塊才自動(dòng)啟動(dòng)。
（6） 過(guò)流保護(hù)。過(guò)流保護(hù)主要是保護(hù)大功率變流器件， 在變流的每一個(gè)周期， 如果通過(guò)的電流超過(guò)器件承受的電流， 模塊就會(huì)關(guān)閉功率器件， 以達(dá)到保護(hù)功率器件的目的。
3. 2 調(diào)節(jié)功能介紹
（1） 電壓調(diào)節(jié)功能。模塊的電壓調(diào)節(jié)主要是指輸出電壓的調(diào)節(jié)， 在模塊的輸出端設(shè)有電壓調(diào)節(jié)電位器，當(dāng)模塊和監(jiān)控單元相連接時(shí)， 輸出電壓也可以由監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定， 這時(shí)電位器調(diào)節(jié)無(wú)效。
（2） 測(cè)量功能。模塊的測(cè)量功能主要是測(cè)量模塊的輸出電壓和電流以及模塊的工作狀態(tài)， 并通過(guò)LCD 顯示， 可以使用戶直觀方便的了解模塊和系統(tǒng)的工作狀態(tài)。
（3） 遙控功能。遙控： 控制模塊的開(kāi)/ 關(guān)機(jī)狀態(tài)， 以及備用電源（ 蓄電池） 的均/ 浮充狀態(tài)； 遙調(diào)： 對(duì)輸出電壓和輸出電流的調(diào)節(jié)控制； 遙測(cè)： 可以在模塊工作時(shí)測(cè)量輸出電流和輸出電壓的值； 遙信： 通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控監(jiān)測(cè)模塊的工作狀態(tài)。
4 結(jié) 語(yǔ)
本文主要對(duì)智能高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中的整流模塊進(jìn)行的設(shè)計(jì)與研究， 利用無(wú)源PFC 電路的原理， 改善電路中電流的畸變， 外加DC/ DC 變換器抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲， 體現(xiàn)了智能高頻開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中整流模塊的優(yōu)點(diǎn)， 適用于鐵路、礦山等變電場(chǎng)所。該系統(tǒng)雖然能夠準(zhǔn)確的進(jìn)行交流變換， 但是在對(duì)備用電源充電時(shí)的均勻性方面都比較弱， 同時(shí)成本也比較高， 同時(shí)在防雷濾波方面的改進(jìn)也不是很完善， 所以還要在這些方面進(jìn)一步的改善和提高。
