摘要：本文分析了通信电源的发展现状，对通信电源的功率器件、电路拓扑、控制方法和理论分析方法进行了讨论，并对目前开关变换器的几个热点研究问题，即软开关技术，功率因数校正技术，均流技术，电压模式控制与电流模式控制技术，本脉冲控制技术进行了分析、探讨。
一、国内外通信电源发展的现状
目前，通信电源大多采用高频开关电源代替相控电源，用阀控式密封铅酸蓄电池代替防酸式铅酸蓄电池，用计算机监控系统代替传统的人工控制技术，完成通信电源的更新换代工作。
近年来，随着技术的进步，特别是功率器的更新换代，新型电磁材料的不断使用，功率变换技术的不断改进，控制方法的不断进步，以及相关学科的技术不断融合，通信电源在系统的可靠性、稳定性，电磁兼容性，消除网侧电流谐波、提高电能利用率、降低损耗、 提高系统的动态性能等等方面都取得长足的进步。此外，由于计算机监控系统在通信电源 中的广泛应用，也使得电源的智能化程度不断提高，系统维护管理能力不断得到加强；而 完善的接地系统和防雷措施进一步提高了电源的平均无故障时间mtbf。目前，通信电源正 向高频化、高功率密度、高功率因数、高效率、高可靠性、高智能化方向发展。
我国通信电源走过一条引进技术、合资生产、自主研制开发的道路。由于通信电源市 场前景好，产品的附加值高，所以，国内不少的科研院所、厂家投入大量的人力和物力， 研制开发性能良好的通信电源。目前，具有自主知识产权的国内通信电源厂家主要有：武 汉的洲际通信电源集团有限责任公司，深圳的华为公司、中兴公司，北京的动力源公司， 珠海金电电源公司，杭州侨兴公司等等。国内主要的合资厂家有：上海的新电元公司，上 海的西门子通信电源公司，上海的中达——斯米泰克公司，广州的珠江电信设备制造有限 公司等等。市场上见到的主要国外通信电源的厂家有：美国的力博特（liebert）公司和瑞 达（reltec）公司，挪威的易达（eltek）集团公司，新西兰的施威特克（swichtec）公司， 英国的万斯（advance）电源等等。进入90年代后，随着技术的创新与进步，目前国外通信 电源厂家的产品一般都具有以下技术特点：（1）采用电流控制模式代替电压控制的模式。 （2）采用相移控制模式的软开关技术，即全桥零电压开关。（3）采用功率因数校正技术。 （4）具有模块自动均流功能。（5）具有完善的遥控、遥测、遥信、遥调四遥功能。（6） 具有完善的蓄电池监测、充电限流、二次下电等管理技术。（7）界面友好的监控软件。 （8）良好的电磁兼容性和防雷措施。（9）完备的保护和告警功能。
从整体性能来看，我国通信电源水平与国外同类产品相比，存在一定的差距。主要差 距在工作的可靠性、稳定性和技术性能等方面。因此，组织力量研制开发具有自主知识产 权，技术含量高的新一代通信电源，对振兴民族工业、提高产品的质量和竞争力，提高开 发队伍的研究水平具有重要的意义，也会带来显著的经济效益和良好的社会效益。
二、通信电源的器件、电路拓扑与控制技术
对通信电源来说，其核心部分是开关变换器，而开关变换器的技术进步主要体现在器 件、电路拓扑和控制技术方面有所突破，因此，应用这些相关技术的最新成果到通信电源 中，是提高通信电源的技术性能、质量和可靠性的重要措施之一。可以从以下的一些方面 进行初步的探讨：
1．从电路的拓扑结构和器件方面来说，目前通信电源的变换电路拓扑结构主要采用双 单端电路，半桥电路和全桥电路，各有优缺点。一般认为，在中、小功率场合，采用双单 端电路或半桥电路是适宜的；在大功率场合则采用全桥变换电路。虽然也出现一些新的变 换电路电路拓扑，如低输入、输出纹波的cuk变换器，传输比高的bcck－fly－back变换器 等等，但由于软件开关技术等一系列新技术的兴起，电路拓扑改造降温，在目前的情况下， 电路的拓扑变换不大。
从器件的角度来说，功率电子器件从半控器件（晶闸管），发展到了各种各样的自关 断器件，并且已经有所谓的功率集成电路（pic）的出现，其驱动模式也从电流型驱动模 式发展为电压型驱动模式。在目前的通信电源中，由于应用场合的不同，场效应管（mose et）和绝缘栅控晶体管（igbt）是使用得较多的两种器件。一般来说，场效应管驱动容易， 开关频率高，具有正的温度系数，易于并联；其不足之处是受到其结构限制，耐压不高， 且体电阻过大（虽然并联可以降低其电阻）。通常认为，在中、小功率范围内，采用场效 应管是适宜的，其开关频率很高，可以降低整个电源的体积、重量和成本，驱动可以采用 简单的脉冲变压器，可以通过管子并联的方法来解决其容量不足的问题，其耐压值较低也 适合单相交流输入的情况。igbt输出容量大，耐压高，体电阻小，是大功率开关电源的首 选器件，但其开关频率低，驱动虽然也是电压型，要比场效应管复杂一些，其温度系数是 负值，不易并联，并且在关断时存在着电流拖尾现象。所以igbt与场效应管，两者各有所 长，有不同的应用场合，随着技术的进步，两者器件方面的欠缺，可以通过电路中采用适 当的措施来解决。
另一个值得注意的问题是，由于目前电源开关频率很高，要求设计人员对高频功率变 换电路必须有足够的认识，对器件的高额特性有足够和清楚的了解，稳态分析和动态分析 并重。尤其是分析它们的失效机制或损坏机理，以采取合理的保护措施来说，还必须深入 了解这些功率器件的不同开关机理和工作特点。此外，在高频时，系统、线路和负载的各 种等效阻抗和低频时差别很大，并且在较高的开关频率下，系统能量分布很容易改变，或 者局部产生振荡，或者在某个幅值段或某个频率段产生振荡。所有这些，在低频时是不必 考虑的。因此，设计人员对电力电子器件本身特性的了解就成为电路设计成功与否的一个 重要原因之一。对器件了解得不深或理解错误而导致电路失败的事是屡见不鲜的，加深对 器件的认识是设计成功的一个首要条件。不过，目前一些新技术的出现，如软开关技术换 流等，降低了变换电路对分布参数的敏感性，拓宽了器件的安全工作区，也在一定的程度 上降低了对器件的要求。
2从电磁元器件的角度来说，通信电源中大量使用磁性器件，比如各种各样变压器、电抗器、电流互感器、滤波或谐振电感等，它们对电路性能有重要的影响。总体而言，对 磁性材料要求是具有宽的温度范围，高频损耗小，矫顽力低，导磁率高；而变压器烧制则 通风散热好，且绕组要用多股细线并绕，或者用铜皮绕制，以减少高频时集肤效应。由于 功率器件性能的改善，以及软开关技术等的采用，使得电源开关损耗大为下降。因此降低 高频变压器和其他磁性器件的损耗已成为提高开关电源效率的一个主要因素，增大输出变 压器功率的关键是磁性材料的选择与结构的确定。欲使变压器结构紧凑、损耗小，应选择 饱和磁感应强度、电阻率及脉冲磁导率较大，且带材厚度小的磁性材料。同时，采用绝缘 强度高的材料作为线圈间的绝缘，以进一步提高能量传输效率。
目前，高频开关电源中，一般采用铁氧体磁性材料作为变压器的磁心。铁氧体的电阻 率高，高频损耗小。但它的饱和磁感应强度太低，所以磁心面积需要较大，影响耦合系数 的提高，且铁氧体是压铸而成的，具有易脆性，制造大规模磁心有一定的困难。非晶态合 金是近年发展起来的新材料，位错的迁移性很低；没有晶界，无各向异性；无阻止磁畴运 动的障碍；易磁化，其磁感应强度高；电阻率大，对涡流阻力大，矫顽力小，能耗低。但 以u型供货的磁心磁感应强度大大降低，而以环形供货的磁心则绕制线圈比较困难。此外， 其尺寸不够大，要满足大容量的开关电源需求，还有待进一步解决。由于非晶态合金兼有 电阻率高和他和磁感应强度大的优点，高频损耗小，导磁不导电，因此，它是高频开关电 源将来较为理想的磁性材料。可望进一步减小电源的体积和重量，降低能耗，提高效率。 近期国内外在非晶态合金的基础上，经过处理，使其变成微晶合金软磁材料，其性 能比非晶态合金更高，更适合制作开关电源变压器和电抗器。国内已有采用这些新型微晶 材料研制开关电源。但也应当指出，在高频开关电源中使用的磁性器件有许多新的特点， 例如频率从工频和几百千赫，功率从毫瓦到几十千瓦甚至几百十瓦，激磁电流可能是非正 弦的，磁化不一定对称。在某些电路中需采取去磁措施等等。在高频下运行的磁性器件材 料、结构、模型、设计、工艺、损耗、发热等多方面问题，尚需继续深入探索研究，以获 得较为满意的解决。
3．开关变换器的新控制技术与新方法，器件发展到一定程度后，要进一步提高产品 的性能，必须采用新的控制方法和新的技术。目前，新的控制方法和技术主要有软开关技 术和功率因数校正技术，民主均流控制技术，电流模式控制技术，本脉冲（one－cycle） 控制技术等等。
软开关技术是指功率器件在零电压或零电流条件下进行换流。因此，软开关技术可以降低功率器的开关损耗，提高系统的开关频率，降低变换器的体积和重量，使得系统的输出纹波减少，并且可以克服变换电路对寄生分布参数的敏感性，降低系统的开关噪音，展宽系统的频带，改善系统的动态性能。而功率因数校正技术通过有源校正的方法，使得网侧电流波形跟踪电压波形，这样，把挂在电网的开关电源变成一个接近纯电阻的负载，不但可以抑制网侧谐波电源，改善网侧功率因数，降低电源的高次谐波产生的噪音和污染，提高电网的质量，减少无功功率的流动和达到节能的效果，也使得电源的电磁兼容性能力得到了加强。民主均流控制技术，既能实现电源模块的自动均流，又可以实现电源模块的冗余，电源模块的退出与增加均不影响系统的正常工作，均流母线的开路，短路以及模块的损坏都不会影响系统其它模块的正常工作，是目前最优秀的均流方法。电流模式控制技术则在以往电压反馈控制的基础上，增加电流反馈控制，在对电压控制的基础上，对电流也进行动态的控制，使得能够逐个脉冲对电流进行控制，一方面能加快系统的动态反应能力；另一方面，也使得变压器的偏磁情况、负载的均流、电源模块的过载或短路保护等得到明显的改善。而本脉冲控制技术是一种大信号的非线性控制方法，在每一个周期内取开关变量，经过积分器的积分与绘定电压比较，其误差经过大后动态地调节变换器占空比的大小，由于每个周期内的占空比值只与该周期的开关变量有关，且开关变量（电压或电流）的平均值在一个周期内到达新的稳态，使得开关变量（被控制量）的平均值和控制量无论是稳态和动态都没有误差，具有良好的抗干扰能力和快速的动态响应能力。该技术既可用于pwm控制，又可用于pfm控制；既可用于硬开关控制，又可用于软开关控制；既可用于电压模式控制，又可用于电流模式控制；既可用于电流连续的工作模式控制，又可用于电流不连续的工作模式控制；是开关变换器控制方式发展的一个重要方向。将这些先进技术应用到通信电源中，将会使得通信电源性能水平上一个新的台阶。
在软开关变换电路中，有变频控制的（pfm），也有恒频控制的（pwm），由于恒频控制方式要优于变频控制方式，恒频软开关技术已成为软开关技术的主流。其中，相移控制的全桥变换电路，综合pwm技术和软开关技术的优点，在大范围内实现pwm控制，实现输出电压或电流的大范围无级调节，而在功率器件换流瞬间，实现零电压开关换流，已成为最有前途的软开关变换电路拓扑。但目前国外厂家相移控制软开关电路也有不足之处，主要是变换电路滞后桥臂零电压开关范围窄，拓宽其软开关范围是其进一步广泛应用的前提，各国学者一直在努力，提出一系列改进方法，主要集中在三个方面：一是采取措施，拓宽滞后桥臂的零电压开通范围；二是把滞后桥臂构造成零电流关断范围大的软开关；三是原边的开关管和到边的整流二极管同时实现大范围的软开关。目前，在这几方面都取得了很大的进展，为软开关技术在通信电源中的广泛应用打下良好的基础。
