推动开关电源发展的几个因素

推动开关电源技术发展的几个关键技术

自动化07-1 刘斌

1.新型高频功率半导体器件

如功率MOSFET和IGBT已完全可代替功率晶体管和中小电流的晶闸管，使开关电源工作频率可达到400kHz(AC-DC开关变换器)和1MHZ(DC-DC)开关变换器，实现开关电源高频化有了可能。超快恢复功率二极管和MOSFET同步整流技术的开发，也为研制高效低电压输出(≤3V)的开关电源创造了条件。

2.软开关技术

PWM开关电源按硬开关模式工作(开/关过程中，电压下降/上升/下降波形有交叠)，因而开关损耗大。开关电源高频化可以缩小体积重量，但开关损耗却更大了(功耗与频率成正比)。为此必须研究开关电压/电流波形不交叠的技术，即所谓零电压(ZVS)/零电流(ZCS)开关技术，或称软开关技术(相对于PWM硬开关技术而言)。

90年代中期，30A/48V开关整流器模块采用移相全桥(Phase-shifted Full bridge)ZVS-PWM技术后，比用PWM技术的同类产品，重量下降40％。软开关技术的开发和应用提高了开关电源的效率，据说，最近国外小功率DC-DC开关电源模块(48/12V)总功率可达到96％；48/5V DC-DC开关电源模块的效率可达到92-93％。20世纪末，国内生产的50-100A输出、全桥移相ZV-ZCS-PWM开关电源模块的效率超过93％。

3.控制技术

电流型控制及多环控制(Multi-loop control)已得到较普遍应用；电荷控制(Charge control)，一周期控制(One-cycle control)，数字信号处理器(DSP)控制等技术的开发及相应专用集成控制芯片的研制，使开关电源动态性能有很大提高，电路也大幅度简化。

4.有源功率因数校正技术

由于输入端有整流元件和滤波电容，单相AC-DC开关电源及一大类整流电源供电的电子设备，其电网侧(输入端)功率因数仅为0.65。用有源功率校正技术(Active Power Factor Correction)，简称APPC，可提高到0.95-0.99，既治理了电网的谐波“污染”，又提高了开关电源的整体效率。单相APFC是DC-DC开关变换器拓扑和功率因数控制技术的具体应用，而三相APFCA则是三相PWM整流开关拓扑和功率因数控制技术的结合。国内通信电源专业工厂已将有源功率因数校正技术应用于输出6kW、100A通信用AC-DC开关电源中，输入端功率因数可达0.92-0.93。

5.Magamp后置调节器技术

80年代，由于高频磁性材料，如非晶态软磁合金(Amorphous)、超微晶软磁合金(Nano-crystalline alloy)等的发展，使有可能在多路输出的高频(＞100kHz)开关电源中用高频磁放大器(Magamp)，即可控饱和电感(Controlled Saturable Indutor)，作为其中一路输出的电压调节器(Output Regulator)，称为后置调节器(Post-regulator)。其优点是：电路简单、EMI 小、可靠、高效，可较精确地调节输出电压。特别适合应用于输出电流1安到几十安的开关电源。

6.饱和电感技术

饱和电感(Saturable inductor)是带铁心(无空隙)的线圈，其特点是：铁心的饱和程度和电感量随通过的电流大小而变。如果铁心磁特性是理想的(例如呈矩形)，则饱和电感工作时，类似一个开关。在开关电源中，应用饱和电感可以吸收浪涌、抑制尖峰、消除寄生振荡，和快恢复整流管串联时可使整流管损耗减小。

饱和电感在开关电源中的应用 a)用作移相全桥ZVS-PWM开关电源的谐振电感，从而扩大了轻载下开关电源满足ZVS条件的范围。

b)消除开关电源的二次寄生振荡 与开关电源的隔离变压器副边输出整流管串联，可消除二次寄生振荡(Secondary parasitic ringing)，减少循环能量，并使移相全桥ZVS-PWM开关电源的占控比损失最小。

c)移相全桥ZVS-PWM开关电源中实现ZV-ZCS

和电容串接在移相全桥ZVS-PWM开关电源变压器原边，超前臂开关管按ZVS工作；当负载电流趋近于零时，电感量增大，阻止电流反向变化；创造了滞后臂开关管ZCS条件，实现移相全桥ZV-ZCS PWM开关电源。

7.分布电源技术、并联均流技术

分布电源技术(Distributeb Power Technipue)是将250-425/48V DC-DC变换器产生的48V 母线(Distributed Bus)电压，供电给负载板(Board)，再通过板上(On board)若干个并联的薄型(Low Profile)DC-DC变换器，将48V变换为负载所需的3.3-5V电压。一般，DC-DC变换器的功率密度达100W/in3、效率90％，并且应当是可并联的(Parallelable)。分布电源系统适合于用超高速集成电路(Very High Speed IC-VHSIC)组成的大型工作站(如图像处理站)、大型数字电子交换系统等，其优点是：可降低48V母线上的电流和电压降；容易实现N 1冗余(Redundancy)，提高了系统可靠性；易于扩增负载容量；散热好；瞬态响应好；减少电解电容器数量；可实现DC-DC变换器组件模块化(Modularity)；易于使用插件连接；可在线(On line)更换失效模块等。

8.电源智能化技术和系统的集成化技术

开关电源微处理器监控、电源系统内部通信、电源系统智能化技术以及电力电子系统的集成化与封装技术等。

以上简要回顾了20世纪通信开关电源发展的历程和取得的成就，上述各项技术的应用，尤其是开发高功率密度、高效率、高性能、高可靠性以及智能化电源系统，仍然是今后通信开关电源技术的发展方向。

进入21世纪，我国工业界、学术界、电力电子、电子电源、通信、材料等行业，还应协同开发下述和通信开关电源相关的产品和技术。

1.探索研制耐高温的高性能碳化硅(SiC)功率半导体器件 可以预见，碳化硅将是21世纪最可能成功应用的新型功率半导体器材料，碳化硅的优点是：禁带宽、工作温度高(可达600℃)、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、PN结耐压高，等等。

2.平面磁心及平面变压器技术 平面磁心(Planar core)的开发，可实现超薄型(Lowprofile)变压器和超薄型开关变换器。适用于便携式(Portable)电子设备电源及板上(On-board)电源。由于其结构呈宽扁形，散热面积大，更适合于高频变压器。平面变压器要求磁心、绕组，铜箔绕组等。据报道，国外已有多家公司开发了平面变压器。提箱内可放总功率达几十kW、十几种平面变压器。效率97-99％；工作频率50/Payton公司制造的5W-20kW 变压器，其体积及功率密度仅为传统高频变压器的20％，一个手提箱内可放总功率达几十kW、十几种平面变压器。效率97-99％；工作频率50kHz-2MHz；漏感＜0.2％；EMI小。

3.集成高频磁元件技术及阵列式(Matrix)磁元件技术 将多个磁元件(如多个电感，变压器和电感)集成在一个磁心上。可以减少变换器体积，降低磁元件损耗。国外已有集成磁元件变换器(Integrated Magnetics Converter)的报道：50W输出、5V及15V两路、100kHz，DC-DC 正激变换器，变压器和输出滤波电感在一个磁心上实现，简称IM变换器。

阵列式磁元件技术是将电路中磁元件离散化，形成分布式阵列布置，或形成“磁结构层”，使磁结构与电路板或其他器件紧密配合，集成化。

4.磁电混合集成技术 包括磁心与晶体管硅片集成、利用电感箔式绕组层间分布电容实现磁元件与电容混合集成等。

5.新型电容器。