开关电源模块范例(3篇)

开关电源模块范文篇1

【关键词】脉阶调制；脉冲直流电源；加速极；降压收集极行波管

1引言

脉阶调制（PSM）技术是瑞士BBC（BrownBoveri）公司于1983年首先提出并发展的，最初的目的是应用于大功率广播发射机中以替换传统的乙类真空管调制器。采用开关模式的调制方式代替了真空管线性调制方式，广播发射机的效率得以大幅提高。

近年来，随着各种新的电力电子器件和控制技术的发展，IGBTs、DSP控制以及其它新器件新技术已经广泛应用于PSM技术中，PSM调制器的指标更优化，也因此在更多的领域中得以应用，尤其是大功率直流脉冲电源的设计中。

2PSM技术

PSM技术的一个显著特点是把主整电压化整为零，即把主整高压分成若干个低压输出的电源模块。这些电源模块相串联，电源的输出电压取决于投入的模块数。这样，可根据需要增减模块串联数，而形成脉冲阶梯波形。

PSM的电路拓扑结构如图1所示。

图1PSM拓扑结构

该电路由若干相同的直流电源模块串联而成，每个电源模块包括一个直流电源VDC，开关S和一个旁路二极管D。开关S断开的电源模块由二极管旁路，为电流提供通道，任一模块的开断都不影响电源的输出。

开关S的断开和闭合对应模块输出电压的两个状态。

Voff=-VDVD：旁路二极管的导通压降

Von=VDC-VSVS：开关S的导通压降

若PSM电源由N个电源模块串联，其中n个模块导通。则PSM电源的输出电压

Vout=n（VDC-VS）-（N-n）VD

如果忽略二极管和开关S的导通压降，则对应有

Voff=0Von=VDCSVout=n・VDC

任何时刻电源的输出电压取决于投入的模块数。在理想情况下，通过控制电源模块投入的数量就可以实现输出电压从0-n・VDC的阶梯变化。

3调制和保护原理

当PSM电源的输出是一个直流脉冲电压时，PSM电路的作用是通过增减投入的电源模块数来补偿由于负载变化和母线电压波动带来的输出电压波动，提供一个恒定的脉冲电压输出。电源电压调节原理见图2。

图2电压调节原理

由主控制系统构建的快保护和内置控制构建的慢保护组成了电源的保护电路。内置控制实现逻辑控制，状态监控及过压欠压等慢保护。电源过流时，由主控来的保护信号直接驱动关断所有开关，实现快保护。

4基于PSM技术的大功率脉冲电源

在行波管（TWT）发射机中，采用多降压收集极，可以减少回流，提高收集极效率，这样行波管的总效率也得以提高。每个收集极置于不同电位。如前所述，PSM电源的特点比较适合用于多收集极行波管，特别是大功率行波管。多收集极行波管电源原理图如图3所示。

图3多收集极行波管电源原理图

很明显，利用PSM技术，只要将不同电位的收集极联结到相应电位的直流电源模块上，就可以很方便的实现多收集极降压电源，图中行波管的三个降压收集极分别与不同电位的电源模块相联。在电源模块的操作中，要注意每个收集极电流应正确分配，这一点通过程序控制不难实现。

一种大功率两收集极行波管，峰值功率200kW，占空比1%，阴极电压-50kV（对地），第一收集极35kV（对阴极），第二收集极18kV（对阴极）。电源可由80个模块组成，单个模块设计输出为700V，全部模块投入时，输出电压56kV，提供了10%的冗余。在没有附加PWM调制时，电压精度可以达到0.7%。如果附加PWM调制，电压精度可以达到0.1%。

在700V电压等级上，各种原器件的选择比较容易，型号较多，并且价格也比较合理。由于电源功率耗散小，使用强迫风冷就足够了。

5结论

PSM技术的诞生为一些特殊的大功率高压电源的设计带来了根本的变化，具有高可靠性、高冗余度、高效率、打火时进入弧道的能量小等特点。模块化结构使得设计和维护更加方便灵活，与传统的电源方案相比较，具有较大优势。并且，随着固态开关器件的发展，PSM技术必将应用于更广泛的领域。

参考文献

[1]李序葆，赵永健.电力电子器件及其应用（第一版）[M].北京：机械工业出版社.2003.

[2]黄俊，王兆安.电力电子变流技术（第三版）[M].北京：机械工业出版社，1996.

[3]王一农，杜世俊，刘小宁等.EAST中性束注入器加速极电源设计[J].合肥工业大学学报，2005（10）.

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关键词：UPS双电源模块化电源机房

中图分类号：TN86文献标识码：A文章编号：1007-9416（2013）04-0255-02

随着广播发射机自动化程度越来越高，在节目传送、自动控制、调制解调、自动调度等各个环节大量使用了计算机和数字化控制设备，对这些设备的供电质量和供电连续性也显得越来越重要，因此对于这些设备的供电普遍采用可靠性较高的UPS不间断电源。一套设计良好的UPS供电系统能为负载提供优质电源，保证电能质量，对发射机房的安全播出、检修维护和设备管理提供技术支持，但是传统的塔式UPS存在工作方式单一，维护困难，不便扩容，外观不整齐等缺点。随着UPS并联技术、整流技术、静态开关技术的更新发展，一种更为可靠的双电源模块化UPS近年开始普遍采用，下面就对我台发射机房应用的双电源模块化UPS的工作原理和应用方式进行探讨。

1双电源模块化UPS的工作原理

1.1双电源模块化UPS的组成

双电源模块化UPS是由机架、UPS功率模块、电池充电模块、静态开关模块、监控通讯模块、电池组及智能输出配电模块等组成。

其中UPS功率模块由传统UPS的整流、逆变以及相关控制电路等部分组成；电池充电模块负责控制电池组的充电电压、电流；静态开关模块是由双向可控硅和控制电路组成，是电源装置处于过载时的共用供电通道，是调整UPS处于逆变或者旁路的控制装置；显示通信模块是人机对话和网络化监控的平台，输出配电模块负责为输出负载配电，保护UPS电源。

1.2双电源模块化UPS的工作原理

双电源模块化UPS工作原理如图1，它采用两路电源供电，主备用电源接入不同的电源系统，正常运行时主用电源为UPS模块供电，UPS模块通过逆变电路将交流电变换为直流电，通过充电模块为蓄电组持续充电，UPS模块中的逆变电路将直流电逆变为同频同相的交流电源，通过工作在主用回路的STS静态开关为负载供电。静态开关在主用市电正常时，工作在主用回路，由逆变器向负载供电。当主用市电中断、缺相或过载时，充电模块停止工作，UPS模块自动断开与主用市电连接，由蓄电池向UPS模块供电，经过UPS中逆变器逆变后向负载提供电源；当逆变器故障或蓄电池电压降低至门限电压时，静态开关瞬间切换至旁路工作状态，由备用电源直接向负载供电。静态开关是保证不间断电源的关键，要求它工作可靠，不会在切换过程中造成逆变器和市电之间出现短路现象。当UPS工作在旁路工作状态时，可以将检修旁路开关投入，负载由备用电源经过检修旁路供电，这时可以断开UPS市电开关和旁路开关，对全部UPS模块、充电模块及蓄电池组进行检修维护，当STS静态开关过载或其他原因造成切断时，值班人员可以采取紧急操作，手动切换至检修旁路供电，避免负载长时间停电。

UPS各模块之间的并联控制都会采用分散式逻辑控制方式，没有主机与从机之分，任何一个模块拨出或插入均不会影响其它模块的正常工作，按需构成N+1，N+X冗余系统，减少了系统本身和负载的风险系数，使负载受UPS保护时间全面提升。并且全部采用高安全性又易维护的热插拔技术，可以允许任何单个模块在不需停电的前提下任意投入或撤出并联单元，从而实现了并联系统的在线维护，同时无需专门的仪器或技术即可进行。既增加了整机工作的可靠性，又简化了用户维护难度。有利于增加设备运行可靠性并保障重要设备安全播出。此外模块化并联冗余的设计理念避免了资源浪费。在作者工作的短波发射台站有多个发射机房，因为全部采用了相同品牌的模块化UPS，都使用了相同型号和容量的UPS模块、充电模块、配电模块等，因此各个UPS之间的所有模块可以互为备用，无需再另行购买配件，避免了资源的浪费，节约了维护成本。

监控通信模块是UPS的控制器，能有效保证UPS长期不间断运行，起到监视、控制、智能管理的作用。对运行中的UPS自动进行检测，对设备故障自动诊断、发现和处理，并减少因故障或检修而造成的中断，同时作为发射机房电源系统的一部分，提供多种网络通讯接口RS232、RS485，以便进行远程后台监控。

智能输出配电模块与UPS主机配套使用，内部配置电压电流传感器、开关辅助触点，由监控通讯模块进行电压电流采集，监视开关工作状态，发生跳闸等故障时自动发出报警。

蓄电池组由40块铅酸免维护电池组成，每块额定电压12V，浮充充电电压±272V，容量根据负载实际情况和计划后备时间确定。

1.3优缺点

双电源模块化UPS的设计理念十分新颖实用，适合用于负载容量大，负载集中度较高的数据中心、广播发射机房和电信机房等这些对供电质量要求极高的地方。UPS的重要组件全部采用模块化设备，具有高效节能，运行稳定，高可靠性以及维护扩容方便的特点。能有效提高设备运行安全系数，必将成为未来UPS发展的方向。

但其缺点是价格相对较高，较同容量普通UPS价格高出30%左右，这将不利于其大范围推广。

2双电源模块化UPS在发射机房的实际应用

2.1UPS进出线方式

根据负载容量和需求选择进出线方式，大于8kW的负载宜采用3进3出模式，即三相380V电源输入，三相380V输出，这样即可以提高UPS带载容量，也可以在UPS工作于旁路和检修旁路时使三相负载平衡，避免在旁路模式时单相负载过大导致进线电缆和UPS过载损坏。对于小于8kW的负载可以考虑采用3进1出或1进1出模式，即三相380V电源输入，单相220V输出，或单相220V电源输入，单相220V电源输出，但应考虑UPS电源回路和导线的载流量，留有足够大的载流余量。

2.2输出配电方式

我台发射机房UPS配电全部采用PDU插座，智能模块化PDU具有可靠的性能，多样的定制化选择，多种保护能够满足发射机房对电源重要性的需求。发射机房的多种数字设备有不同的电源插头，有些进口设备的插头更加特殊，必须通过转接头才能使用，而定制化的PDU插座能够满足这些需求，IEC、德标、欧标等插座都可以进行定制，不需要再进行转接。浪涌保护、报警保护、滤波保护、过载防护、防误操作等功能对保护重要设备保障供电十分有利。通过选配的监视通讯模块还能监看PDU电源的开关和系统运行状态，更加智能化，全面解决机房无人化运行。

2.3多台UPS的在线监控

智能化是UPS的主要目标之一，只有智能化才能对UPS本身各部件甚至主要的元器件进行有效的监视，对出现的故障用冗余措施处理，更好的提高UPS的可靠度。我台发射机房双电源配置了SNMP管理卡，采用HTTP协议、SNMP协议、TELNET协议等，通过TCPIP网络，在后台监控软件上可以对多台UPS的市电状态、电池状态、旁路状态、逆变状态、自检状态、开机状态和输入电压、输出电压、负载百分比、输入频率、电池电压、电池容量、电池放电时间、UPS机内温度、周边环境温度、报警信息、等等进行监控，具有实时报警、自动记录和告警弹屏功能，使UPS电源的运行情况一目了然，提高UPS电源保障系统的管理效率和管理品质。

3结语

双电源模块化UPS采用抽屉式、高智能模块化设计，具有热插拔功能，不仅可以通过增减机柜内的模块来满足功率输出及可靠性要求，只要冗余允许还可以在线进行维护，必要时也可采用维修旁路工作，实现零维修时间。UPS模块采用均流并联技术，降低了单点故障的概率；功能丰富的后台监控软件能利用现有的TCPIP网络同时对多台UPS进行实时监控，自动记录运行状态，诊断故障情况，及时反映设备报警信息。双电源模块化UPS方便合理的设计，智能可靠的运行方式，对保障广播发射设备安全运行提供了可靠的技术保障。

参考文献

[1]周志敏，周纪海，纪爱华，UPS应用与故障诊断[M].中国电力出版社.

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通信直流电源是一个复杂的系统，目前电力通信直流电源均采用－48V的高频开关直流电源，电力系统中典型的电力通信直流电源结构组成如下图所示，从图中可知电力通信直流电源由交流部分、整流器、直流分配部分、蓄电池组和监控模块等按照要求组合而成。

①交流部分。交流部分的市电输入一般为2路380V三相四线交流输入，在电源容量较小时有时也使用2路220V单相交流输入，以保证电源可靠供电。为防止雷击和过电压破坏，在市电输入端应加装避雷器，常用的有普通氧化锌避雷器和OBO防雷模块等；由于此处的防雷主要是对非直击的感应雷击的浪涌电压的防护，因此避雷器的通流量一般选择在15－20KA，残压在1.5KV左右，就可有效的保护电源设备。为实现两路输入的交流电的通断互锁，自动切换，还需装设交流切换装置，采用机械互锁或电气互锁方式，但是应注意任何时候都不允许出现两路交流电源同时接通或者同时断开的现象。经过切换装置后，交流输入分为整流器模块输入和交流分路输出，交流分路输出为机房其他交流用电设备提供电源，如计算机、UPS等。

②整流器部分。整流器是通信直流电源的最重要的组成部分，通信直流电源的供电质量主要取决于整流器的电气指标，它完成AC-DC变换并以并联均流方式为通信设备供电，同时对蓄电池组进行恒流限压充电和监控模块的供电。现在所有的通信直流电源均采用模块化高频开关整流器，它具有其体积小、效率高、模块化、功率因素高、输入电压范围宽、噪声低、可靠性高以及可带电热插拔等优点；电力通信直流电源所使用的高频开关整流器模块一般为单相220V交流输入，功率因素可达0.99以上，模块容量一般为每块20A/－48V～50A/－48V；在实际使用中，如果输入的是380V三相四线交流电源，则应注意将所有整流模块平均分配到每一相；同时为了提高整流器工作的可靠性，在设计时应考虑多余备用容量，模块配置采用N+1冗余。高频开关整流器模块有内控式和外控式两种类型，内控式整流器内部设有独立的监控单元，可对整流器模块参数进行设置、检测和显示，与系统的监控模块采用RS-485总线相连；外控式整流器在内部不设独立的监控单元，完全由系统监控模块控制，若监控模块故障，整流器模块转为自主工作状态，其输出电压电流服从初始的设定值。

③直流分配部分。直流分配部分将整流器输出的直流电压进行分配，一路给蓄电池组充电，其它分配给通信设备和其它直流用户供电。直流分配部分决定了设备的最终分配容量，因此要求在设计时应充分考虑直流分路输出的用户数和容量，满足日后通信设备接入的需要。在给蓄电池组充电的分路开关之前应加装欠压保护继电器，当蓄电池组放电达到欠压告警值时发出告警，放电到欠压关断值时控制自动断开蓄电池组，保护蓄电池组不会因为过放电而导致损坏。现在直流分路输出开关多采用空气开关，应注意配置使用直流空气开关，因为直流空气开关的灭弧能力很强，而不应使用普通交流空气开关。

④蓄电池组。蓄电池组是通信直流电源的不可缺少的组成部分，蓄电池组一旦发生故障，在市电输入停电时，将造成所有使用该蓄电池组作后备电源的通信设备全部停止工作，造成通信中断。现在使用的蓄电池组都是阀控式密封铅酸蓄电池（简称VRLA），它完全取代了过去使用的普通开口铅酸蓄电池，采用密封结构，基本无酸气泄漏，可与设备同室安装，无需加电解液维护；可采用立式、卧式、单层、多层等各种组合安装方式，安装灵活；适用浮充工作制，使得供电系统电压更稳定；寿命、容量等受温度影响较大。蓄电池组的容量决定了市电停电后通信设备的运行时间，一般可根据负载大小和放电时间来选择蓄电池组的容量，计算方法为：负载容量（A）×放电时间（h）÷放电时间小时率放电容量系数。

⑤监控模块。监控模块对于通信直流电源来说具有智能控制中心的作用，主要有监测功能，包括监测交流输入电压、电流，整流器模块并联输出电压值和每个整流器模块的输出电流，负载电流，蓄电池组充放电电流和电压等；控制功能，包括电源系统的开关机，各整流器模块的开关机，直流输出电压、输出电流极限值的设定，蓄电池组浮充、均衡充电电压和充电电流的极限值设定，电池温度系数的补偿和蓄电池组欠压保护设定等；告警功能，当电源运行过程中某些参数达到或者超过告警的设定值，监控模式将发出声光告警，并显示故障部位和原因。此外，监控模块还应可通过RS232/RS485接口与上级监控中心联系，以实现集中监控。

2电力通信直流电源的维护

由于目前电力通信直流电源均使用了高频开关电源和阀控式密封铅酸蓄电池，这给电源系统的维护带来了许多便利，但是在维护方面还要注意按照使用维护要点做好维护工作，才能真正保证电力通信直流电源可靠、稳定、不间断地为通信设备供电。

①电源的交流输入所采用的避雷器的状态在进行电源的巡视维护时应注意检查，特别是雷雨天气时，更应该注意检查避雷器的状态，发现问题及时更换，如当发现OBO防雷模块的故障显示窗的颜色由绿色变成红色时，就要对防雷模块进行更换，确保发生雷击时能够发挥其防雷作用。这里应注意普通氧化锌避雷器存在有一定的漏电流，长期使用容易老化，造成使用性能下降，所以即使长时间没有雷击发生，也要定期进行更换，确保其防雷效果。

②高频开关电源在正常使用的情况下，整流器主机的维护工作量很少，主要是防尘和定期除尘，否则飞尘加上潮湿会引起主机工作紊乱，同时积尘也会影响器件的散热。一般每季度应对主机彻底清洁一次，在除尘时应检查各连接件和插接件有无松动和接触不牢的情况。

③通信高频开关电源中设置的参数在使用中不能随意改变。

④通信高频开关电源在使用时应注意避免随意增加大功率的额外设备，也不允许在满负载状态下长期运行。由于通信直流电源几乎是在不间断状态下运行的，增加大功率负载或者在基本满载下工作，都将可能造成整流器模块故障，严重时将损坏整个电源系统。

⑤作为后备电源的蓄电池组维护工作载电力通信直流电源的维护工作中占有非常重要的地位，这也是电源维护工作的一个难点。由于现在使用的阀控式密封铅酸蓄电池实现了密封，免除了以往开口铅酸电池的测比、配比、添加蒸馏水等工作，大大减少了维护工作量，因此有些维护人员认为其是免维护电池，在使用中不去维护，听之任之，结果造成维护不当，发生问题。在对阀控式密封铅酸蓄电池的维护工作中，应重点注意以下问题：

定期检查整个蓄电池组的浮充电压，如果其浮充电压超出了蓄电池组的要求，应进行调整。浮充电压过高将增加水的损耗，加速电池正板栅的腐蚀，可能严重影响蓄电池的寿命；过低则可能不能使蓄电池充足电。对单只蓄电池每月应记录一次它的浮充电压，若电压超过厂家的指标，观察几个月后无向均一方向发展的趋势，应与厂家联系进行处理。

阀控式密封铅酸蓄电池的日常运行对温度要求较高，它要求的环境温度最好是20～25℃，如不然，应对浮充电压采取温度补偿，每升高1℃，浮充电压应降低3～4mv，但即使对浮充电压进行调整补偿，温度仍对蓄电池的寿命影响较大，如寿命为10年的蓄电池在30℃下运行，无温度补偿寿命仅为5年，有温度补偿寿命也缩短为8年。因此阀控式密封铅酸蓄电池应安装在有空调的房间，安装方式要有利于散热。在日常巡视维护中发现蓄电池有明显发热现象应立即与厂家联系进行处理。

阀控式密封铅酸蓄电池的自放电极低，而且电池内部不会形成电解液分层现象，因此无需定期进行高压均衡充电，定期均衡充电只能增加水的损耗，增大正板栅的腐蚀，在对蓄电池进行维护时应尽量减少或取消均衡充电。

应避免阀控式密封铅酸蓄电池的大电流充电和过放电。大电流充电可能使蓄电池极板膨胀变形，活性物质脱落，电池内阻增大且温度升高，造成电池报废。过放电将使蓄电池的循环寿命变短，放电后应立即充电，否则易引起蓄电池内部硫酸盐化现象，导致容量不能恢复。因此在进行容量试验或放电检修中，通常放电达到蓄电池组容量的30％～50％即可。

检查蓄电池连接部分有无大压降、腐蚀、松动等现象，如有应及时紧固，否则极有可能引起烧毁电池等事故。

当发现蓄电池组内有损坏且无法修复的蓄电池时应及时进行更换，更换时不得把不同容量、不同性能、不同厂家的蓄电池连在一起，否则将对整组蓄电池带来不利的影响。

阀控式密封铅酸蓄电池属于贫液电池，无法进行电解液比重测量，因此它的好坏和容量预测在业界也是一大难题，日常维护中可用电导仪测试电池内阻判断其好坏，但最可靠的方法还是放电法。

要注意阀控式密封铅酸蓄电池的寿命期限，对寿命已过期限的蓄电池组要及时进行更换，这样即保证供电后备电源的可靠，又可避免因蓄电池组影响到整个通信直流电源的运行。

⑥电源系统出现故障时，应先查明原因，分清是负载还是电源本身，是整流器还是蓄电池组。高频开关整流器模块的输入输出主回路由于有输入过压和输出限流保护，因此发生故障的可能性较小，其内部控制电路、显示电路、保护电路等发生的故障相对较多，而且这些电路中只要有一个元器件发生故障，就可能导致整流模块停止工作，处理这些故障时只需更换有故障的电路板便可排除故障。笔者在维护工作中就曾经遇到过高频开关整流器通电后显示正常，测量输出电压正常，就是不能带负载，后经检查发现就是内部控制电路电路板问题造成了该模块无法正常工作。

⑦当高频开关整流器模块出现保险管烧断等故障时，务必不得直接进行更换保险管后通电重新开机，否则会接连发生相同的故障，不但检查不出故障所在，还可能会在开机的瞬间导致故障范围更加扩大。在现场处理紧急故障时，可采取整流器整机更换的方式来排除通信直流电源供电的故障，但在更换整流器时，通信直流电源供电系统不得停止对通信设备的供电。

⑧通信设备在接入直流配电分路输出开关时，要注意通信设备上的电源总输入开关的容量不得大于其接入的直流配电分路输出的开关容量，否则将引起越级跳开关，可能造成通信直流电源系统故障。

3结语

面对电力通信发展的日新月异，做好电力通信直流电源的维护显得尤为重要，相信在全体电力通信人员的努力下，不断总结和提高电力通信直流电源的运行维护经验和水平，使电力通信电源能够为电力通信的快速发展提供更优质可靠电源保障。

参考文献：

[1]中华人民共和国通信行业标准YD/T1058-2000，通信用高频开关组合电源[S].

[2]中华人民共和国通信行业标准YD/T799－96，通信用阀控式密封铅酸蓄电池技术要求和检验方法[S].