摘要：通信电源是电信网的能源，其供电质量的好坏必然的联系到整个电信网的畅通。本文首先介绍了国内外高频开关电源的发展状况和趋势，以及在电力系统中的应用，详细分析了间接和直接变换器的基本工作原理和各自的优缺点，进行理论分析和电路实验，并在此基础上设计出一种实用的开关电源，从而替代传统电源。该系统以MOSFET作为功率开关器件,构成一种间接的开关变换器；控制电路采取脉宽调制技术；PWM控制信号由集成控制器UC3825系列芯片控制产生,输出实时采样电压回馈信号,控制输出电压。控制电路和主电路之间通过变压器和光耦合器进行隔离，并设计软启动电路和过压、过流保护电路，同时系统电路还包含有电流反馈电路和电压反馈电路，以确保输出的更稳定可靠。通过设计计算可知，系统可靠性高、稳定性高，比普通电源更具有优势和发展前景。

  高频开关电源是将交流输入电压变换成所需直流电压的装置.基本的隔离式高频开关电源的原理图如图2.1所示,高频开关电源主要有输入电网滤波器、输入整流滤波器、高频变换器、输出整流滤波器、控制电路和辅助电源等几部分所组成。其基础原理是：日常所用的交流输入电压经电网滤波电路和整流滤波电路的变换得到一直流电压，再通过高频变换器将直流电压变换成高频交流电压，再经高频变压器隔离变换，输出所需的高频交流电压，最后经过输出整流滤波电路，将变换器输出的高频交流电压进行整流滤波，从而得到所需要的高质量。

  1、输入电网滤波器：其最大的作用是用来消除来自电网的各种干扰，像大型电机的启动，电器设备的开关，以及雷电等产生的尖峰干扰。同时也可以有效的预防开关电源的高频噪声污染扩散到电网，这是一个双向的保护的方法。下图是一个典型的三相输入电网滤波器。如图2.3：

  开关电源干扰技术及防止电网污染技术已引起国内外专家注意。在21世纪，分布式电源系统的组成将强调“系统集成”、“电力电子封装技术”等。现在新的器件(能低压工作、降压很小)陆续进入市场，因而可得到1V的低压输出和功率小到lOmW的开关电源，为便携装置微型化提供了条件。现在可以用软开关－PWM技术、印刷电路、折迭绕组变压器，能够使用非晶、纳米晶合金软磁材料的铁芯，小功率开关电源整机效率可达到90%,大功率电源可达到95%左右。开关频率以20KHz为下限，几十、几百倍的提高。体积设备、重量越来越显著下降。外形也可以作成轻、薄、短、小。总之，电源再不是大、粗、笨的设备，而是精致、灵巧可设计成兼有“智能”的装置了。

  全桥式变换器的优点是:主变压器原边绕组比推挽式少了一半，变压器利用率提高;开关管可用低耐压(如400V)、大电流的功率管输出功率大。

  直接变换器有很多种，例如：Buck、Boost等，由于Buck变换器是最基本的直接变换器，在这里亦Buck变换器为例进行简单介绍。Buck变换器又称为降压变换器。线所示，完成直流电压间的相互转换。

  这五个问题是开关电源能否在更广泛领域应用的关键，把挑战看成开关电源发展的动力和机遇，一向是电源科技工作人员的态度。以功率因子为例，AC-DC开关电源或其它电子仪器输入端产生功率因子下降问题，用什么办法来解决?毫无疑问，利用开关电源本身的工作原理来解决开关电源应用中产生的问题是最积极的态度。实践中，用DC-DC开关电源和有源功率因子校正的开关电源，(成本比单机增加20﹪) ;成功解决了这样的一个问题。现在，又逐步发展成单级有功率因子校正的开关电源，(成本只增加5％);在三相升压式单开关整流器中减少谐波方法，有人采用注入六次谐波调脉宽控制，抑制住输入电流的五次谐波，解决了电流谐波畸变率小于10%的要求。这样的事例，不断从近年发表的科研论文中反映出来。

  在电源输出滤波中，滤波电感与滤波电容一起对整流后脉冲方波起平滑作用。从滤波电感的等效电路看，滤波电感的最高使用频率决定于等效电容和电感形成的并联谐振点。在高频工作状态下，铁芯损耗大，需采用电阻率非常大铁氧体磁芯。

  VT1、VT4与VT2、VT3由基极激励驱动而轮流通断，从而将直流电压Vi变换成高频矩形波交流电压，随后经D1、D2整流，L、C2滤波后传送给负载，为其提供稳定的直流电压。四个功率开关管组成桥的四臂，桥的一对交点输入直流电压，另一对交点接高频变压器原边绕组。VTl和VT4由一组开关信号驱动，VT1和VT4导通时电流方向对原边绕组是又上向下。过半个周期，VTl和VT4截止，VT2和VT3在另一组驱动信号下导通，导通电流由电源Vi正端经VT3，原边绕组由下向上，VT2流向电源负端。两对开关管是轮流导通，导通时绕组电压近似等于Vi。每只开关管均为并联一只高速功率二极管，其钳位作用以减小开关管由导通转换为截止时，变压器产生的电压尖峰，以保护开关管不被击穿。

  1、电感、电容均为理想元件。电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联电阻为零。

  2、开关晶体管、二极管都为理想元件。即导通时压降为零，截止时漏电流为零。

  九十年代以来，美国、德国等西方国家新建电厂和变电站已全部采用高频开关电源，近几年来，国内开关电源技术已有了长足的进展，理论、研究、生产、应用等己有相当的成果或规模，采用了有效的均流技术和软开关技术，如大家所熟悉的朝阳电源就是一种较为完善的开关电源，但是，现在的开关电源都是为邮电通讯系统模块设计的低电压的模块，象电力系统的操作电源所用的220V/110V的电源则研究较少，深圳华为公司的电源模块有用于电力系统的智能型高频开关电源，质量不错，但是，它的三次和五次谐波较大，我们大家都知道谐波对电网有危害作用，大量的谐波分量倒流入电网，造成对电网的谐波“污染”，一方面产生“二次效应”，即电流流过线路阻抗造成谐波电压降，反过来使电网电压也发生畸变;另一方面，会造成电路故障，使用电设备损坏。例如线路和配电变压器过热;谐波电流会引起电网LC谐振，或高次谐波电流流过电网的高压电容，使之过流、过热而爆炸;在三相电路中，中线流过三相三次谐波电流的迭加，使中线过流而损坏。另外，因为它没有采用有源功率因数校正，功率因数较低，只达到0.9，如果采用有效的功率因数校正，功率因数能够达到0.99以上。

  八十年代，国内高频开关电源只在个人计算机、电视机等若干设备上得到应用。由于开关电源在重量、体积、用铜用铁及能耗等方面都比线性电源和相控电源有显著减少，而且对整机多相指标有良好影响，因此它的应用得到了推广。近年来许多领域，例如电力系统、邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设施、家用电器等都越来越多应用开关电源，取得了显著效益。究其原因，是新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的软件不断地出现并应用到开关电源的缘故。从而使开关电源更上一层搂，达到了频率高、效率高、功率密度高、功率因子高、可靠性高的要求。开关电源就有了更强的竞争实力，应用也更为扩大，反过来又遇到更多问题和更实际的要求.这样一些问题和要求可以归纳为以下几方面:

  相控电源即相位控制型稳压电源，它的主要原理是将市电直接经过整流滤波提供直流，由改变晶闸管的导通相位角来控制整流器的输出电压，所以如果采取了适当的控制电路使晶闸管的导通相位依据输入电压或负载电流变化自动调整，整流器的输出电压就能稳定不变。

  线性电源也是一种常用的稳压电源，通过串联调整管可以连续控制，它的功率调整管总是工作在放大区，流过的电流是连续的。线性稳压电源通常包括:调整管、比较放大器、回馈采样部分以及基准电压部分。

  开关电源的功率调整管工作在开关状态，功率损耗小，效率高，由于开关工作频率高，变压器的体积大大减小，滤波电感、电容数值较小。

  在目前的电力系统中，大部分用的都是相控电源，但是，相控电源用的是低频变压器，体积大，而且输出电压的纹波系数大，监控系统不完善，采用主从备份方式，用户使用不方便，对电力系统新的要求也达不到标准，另外，由于充电设备与蓄电池并联运行，纹波系数较大，会出现蓄电池脉动充电放电，影响蓄电池的常规使用的寿命。而高频开关电源体积小、重量轻、频率高、输出纹波小、模块迭加、Nl热备份设计、便于计算机管理等优点，符合现代电源的潮流。所以，电力系统中的操作电源有高频开关电源取代相控电源的趋势。

  目前，直流电源最重要的包含三种:相控电源、线、滤波输出：为了确认和保证输出的可靠稳定，一般在电路输出端都接有滤波电路，从而确保了输出的可靠稳定性。 在工频滤波器中，一般大电流的工频滤波电感取值不宜过大，否则断电时会产生较大反向电动势损坏电子器件，开机瞬间或功率管切换时，因滤波电容容量大，易产生的浪涌电流，故采用电感输入式滤波，其滤波电感能限制电流的突变。

  2、输入整流滤波器:其基本功能是将电网输入的交流电压进行整流滤波，为逆变器提供波纹较小的直流电压。而且，在当电网由于事故或其它原因停电时，滤波电容器储存的能量尚未用完，还能使开关电源维持一定的时间。对用电设备起到保护作用。对三相交流电输入，其电路图形如图2.4：

  3、高频开关变换器（DC/DC）:它是开关电源的关键部分。它把直流电压变换成高频直流电输出，其主要形式有两种：直接变换和间接变换。其中间接变换是指变换器中有高频变压器。

  发电厂和变电所中，为了供给控制、信号、保护、自动装置、事故照明、直流油泵和交流不停电电源装置等的用电，要求有可靠的直流电源。为此，发电厂和110KV以上的变电所通常用蓄电池作为直流电源，对上述的电源要求有高度的可靠性和稳定能力，电源容量和电压质量均应在最严重的事故情况下保证用电设备的可靠工作。根据电力系统的要求

  4、控制及保护电路：它用于检测输出直流电压，与基准电压作比较，进行隔离放大，调制振荡器输出的脉冲宽度，从而控制变换器保持输出电压的稳定。再开关电源发生过电压、过电流或短路时，保护电路就会使开关电源停止工作以保护负载和开关电源本身。

  5、辅助电源：主要是为控制电路和保护电路提供满足一定技术方面的要求的直流电源，以保证它们工作可靠稳定运行。其电路能是独立的，也可以由开关电源本身产生。