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。

在功率因数校正电路方面，单相的PFC技术也已非常成熟，其电路通常采用升压（boo st）电路，采用电压、电流双闭环控制的方法，主要采用平均电流控制的方法。其中电压环用来稳定输出电压、电流环使得电流跟踪电网的正弦波形。由于电流环的给定是电压环输出与电网整流后的正弦半波（100Hz）的乘积，因此电压环的带宽不能超过100HZ，否则电流波形跟踪不好，一般设计频带是30HZ以下，同时，为了保证整个控制回路的增益与电网的幅值无关，需要进行必要的前债补偿。现在市场已有成熟的控制芯片，既有采用硬开关控制的，也有采用软开关控制的。而三相功率因数校正技术上比较复杂，虽然国内外相应的研究成果也很多，但要应用在大功率开关电源方面，尚需作进一步的研究和探讨。

在控制模式方面，既有采用电压模式控制的，也有采用电流模式控制的。电压模式是单环控制，电流模式控制是双环控制，这两种控制模式各有优缺点。不过，电流模式控制技术，可以较好地解决大功率电源的并联问题、电源的动态响应性能更好、变压器的偏磁情况、电源模块的过载或短路保护等得到明显的改善。庆以在电源产品的设计中电流模式得到广泛的应用。在新技术方面，近来开关变换器发展起来的本脉冲控制是最值得注意的方向之一。不过，目前尚未见到有本脉冲控制技术的通信电源产品出现。 与此同时，世界上许多著名的电子公司为了适应功率电子学发展的浪潮，不断推出适应各种新型控制技术的芯片，美国的UNITRODE公司是其中一个杰出代表，其所开发的芯片既有电压模式控制的，又有电流模式控制的，覆盖了功率电子学所有的应用领域。其中，与开关电源密切相关的芯片主要有相移控制系列芯片，单相硬开关功率因数校正系列芯片，单相软开关功率因数校正系列芯片，开关电源负载均流系列芯片等等。这些性能良好的软开关控制、功率因数校正芯片和其他相关芯片的研制成功，为软开关技术和功率因数校正技术以及其它新技术在通信电源的应用奠定了基础。

三、通信电源的电路模型和理论分析

目前开关变换器的分析方法主要有数字仿真方法和解析建模方法。数值数字仿真的方法（如SPICE等等）准确度高，可以得到系统的响应特性和波形，但没有明确的物理意义；解析建模方法有明确的物理意义，对设计和分析具有指导意义，但需要作一定的假设。 一般认为，电力电子系统仿真主要有三个层次，即器件层次，电路层次和系统层次，在不同的设计阶段，关心的侧重点不同。器件层次的仿真主要用于研究器件的开、关过程，这往往需要设计人员对器件有较深刻的认识，提出比较合理的器件模型参数，以深入了解分布参数对器件开、关过渡过程的影响，为设计和分析提供了一定的依据。电路层次的仿真主要是对其宏观波形进行分析。此时，一般把器件当作是理想开关，主要是对电路的拓扑结构，控制方法，电路特性等等进行分析。系统层次的仿真主要是着眼于系统的控制方式、参数选择（如PID参数选择）等等，电路模型用一般的传递函数即可。仿真的结果在一定的程度上，为了解系统的工作情况提供帮助，有助于设计正确合理的系统。 近来，随着计算机技术和仿真技术的发展，已有一系列界面友好的仿真平台出现，其中，典型的有Spice、ICAP4.0－Interactive Circuit Analysis Program和WE4.0——Ele ctronics Workbench等等，它们都具备器件库、各种信号发生器，以及示波器、BODE图显示器等等，是典型的电子实验台，为电力电子系统的设计提供有力的辅助工具。

目前不少的电源工作者对仿真软件使用掌握不够熟练，未能充分利用强大的CAD手段来进行分析和设计，导致在设计中走不必要的弯路，甚至有时候造成设计的失败。此外，正版软件价格昂贵也造成使用上一定困难的一个原因。 在解析建模方面，目前流行的各种解析分析方法大多数是以R.D.Middlebrook等提出的状态空间平均法（以占空比加权平均）为基础的。状态空间平均法简单通用，为开关变换器提供了简便和系统的分析工具，是简明性和精确性的一个较好的折衷，也是大多数变换器分析方法的基础。但是，它也有不少难以服的缺点，如无法估计输出纹波的大小，稳定性分析不够准确，难以对大信号过程作出分析，也不能分析软开关变换器。

常规通信电源的设计，对PWM变换器的处理，实际是把它当作一个低频的环节，即是把经过状态空间平均以后所得的电路模型，简单得出占空比（控制量）与输出电压（被控制量）传递函数关系，以及负载电流、输入电压等等扰动量对输出电压的传递函数关系，采用经典控制理论的常规方法设计系统，然后对其稳定性等等性能指标进行校验，没有反映系统的高频部分。倘若高频的部分起主要作用，则所得的结果很不准确，不幸的是稳定性分析即属此例。实际上，开关电源是一个非线性的系统，系统存在着不同的过渡过程，即是由输出电感和输出电容等较大时间常数组成的毫秒级的暂态过程，以及功率器件在每个开关过程中，寄生分布参数起主要作用的，微秒级开关过渡过程。一般来说，即使是大信号分析方法，如果采用平均的方法的话，所得到的结果是反映时间常数大的过渡过程，而时间常数小的开关过渡过程很难反映出来，这是因为取平均是把高频分量去掉了。虽然，近年提出的高频网络法把不同过渡过程的快变量和慢变量分开，从理论上可以得出解析解，但由于解的复杂性，难以在工程中得到具体的应用。特别是近年来，软开关技术出现以后，又导致状态空间平均法难以进行分析。虽然近年出现很多分析方法，如谐波平衡法等效电路法，采样数据法，等效小参量法等等，但都显得过分专业化，有的需要解复杂的微分方程，计算量过大；有的难以得到显式解有的解物理意义不明显。此外，系统的开环和闭环的模型建立也需要一定的技巧。因此，必须继续探讨简单、实用、具有明显工程意义的电路模型和满足工程需要的大信号分析方法。

四、电磁兼容性分析 实际情况表明，电磁干扰会造成通信设备失效，通信噪音增大，计算机误码、信号误差增大等等恶劣情况，直接影响通信的质量和可能性，通着通信电源向高频化和大功率化的发展，其电磁干扰发射的能量越来越大，其他电子设备、电力设备的广泛应用，也使得通信电源的电磁环越来越复杂，通信电源很容易构成主要的干扰源和被干扰者，解决通信电源的电磁干扰和射频干扰问题，对有效提高通信质量和通信可靠性有极其重要的作用。 目前许多电源工作者只着重于电路原理的正确性，对电磁兼容性问题缺乏足够的认识，总是等到调试过程中才修补，往往造成电源系统的不能正常工作或不必要的浪费，电磁兼容性问题既有理论上的问题，但更多的是一种实验技术和工艺技术，需要从电磁干扰的产生、传播以及接收等方面加以研究解决。此外，对电源本身来说，选择合适的电路拓扑结构，合适的电路元器件，适当的滤波器，良好的屏蔽措施，合理的布线和正确的接地方式和良好的防雷措施，在监控系统设计中，充分考虑各种各样抗干扰措施，都是解决以上问题的有效的方法。除了以上措施以外，软开关技术和功率因数校正技术以及其它一些新技术，也都为上述问题的解决提供一条新的、根本性的途径。

五、结论 通信电源的设计，既有理论问题，涉及到现代电力电子技术、微电子技术、自动控制理论、计算机技术、磁性材料等相关学科知识，除此之外，通信电源的设计，也是一种实验技术和工艺技术。元器件的选择，工艺技术，电磁兼容性的考虑等等，也都是设计时要充分考虑和认识的。因此，在理论和实践中不断创新，对通信电源的更新换代和培养高水平的开发队伍具有重要的意义。