浅析48V/50A开关电源整流模块主电路设计

高频开关电源系统具有体积小，重量轻，高效节能，输出纹波小，输出杂音电压小和动态响应性能好等很多优点，现已开始逐步地取代整流式电源而成为现代通讯设备的新型基础电源系统［1］。随着电子技术，电力电子技术，自动控制技术和计算机控制技术的发展，高频开关电源系统的性能也越来越好。通信用开关电源系统作为开关式稳压电源的一种形式，它的设计内容和设计方法都具有自己的特殊性。     

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。   

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。