开关电源的技术追求和发展趋势进入高效率功率变换时代

随着电子技术的高速发展,电子系统的应用领域越来越广泛,电子设备的种类也越来越多,电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源,它们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。
    传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源。这种传统稳压电源技术比较成熟,并且已有大量集成化的线性稳压电源模块,具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点。但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。由于调整管工作在线性放大状态,为了保证输出电压稳定,其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差,导致调整管功耗较大,电源效率很低,一般只有45%左右。
    另外,由于调整管上消耗较大的功率,所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器,很难满足现代电子设备发展的要求。20世纪50年代,美国宇航局以小型化、重量轻为目标,为搭载火箭开发了开关电源。在近半个多世纪的发展过程中,开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源,并广泛应用于电子整机与设备中。20世纪80年代,计算机全面实现了开关电源化,率先完成计算机的电源换代。20世纪90年代,开关电源在电子、电器设备、家电领域得到了广泛的应用,开关电源技术进入快速发展期。

开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关,通过控制开关的占空比调整输出电压。以功率晶体管(GTR)为例,当开关管饱和导通时,集电极和发射极两端的压降接近零;当开关管截止时,其集电极电流为零。所以其功耗小,效率可高达70%-95%。而功耗小,散热器也随之减小。开关型稳压电源直接对电网电压进行整流、滤波、调整,然后由开关调整管进行稳压,不需要电源变压器。此外,开关工作频率为几十千赫,滤波电容器、电感器数值较小。因此开关电源具有重量轻、体积小等优点。
    另外,由于功耗小,机内温升低,提高了整机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也有较大的提高,一般串联稳压电源允许电网波动范围为220±10%,而开关型稳压电源在电网电压在10-260伏范围内变化时,都可获得稳定的输出电压。
    开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术,高频化带来的效益是使开关电源装置空前地小型化,并使开关电源进入更广泛的领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。
    目前市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管,开关频率可达几十千赫;采用MOSFET的开关电源转换频率可达几百千赫。为提高开关频率,必须采用高速开关器件。对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路,这种工作方式称为谐振开关方式。
    它可以极大地提高开关速度,理论上开关损耗为零,噪声也很小,这是提高开关电源工作频率的一种方式。采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化。开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面。
    一、小型化、薄型化、轻量化、高频化———开关电源的体积、重量主要是由储能元件(磁性元件和电容)决定的,因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积;在一定范围内,开关频率的提高,不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸,而且还能够抑制干扰,改善系统的动态性能。因此,高频化是开关电源的主要发展方向。
    二、高可靠性———开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍,因此提高了可靠性。从寿命角度出发,电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。所以,要从设计方面着眼,尽可能使用较少的器件,提高集成度。这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题,也增加了保护等功能,简化了电路,提高了平均无故障时间。
    三、低噪声———开关电源的缺点之一是噪声大。单纯地追求高频化,噪声也会随之增大。采用部分谐振转换回路技术,在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。所以,尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。

 四、采用计算机辅助设计和控制———采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数,使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机检测和控制,可构成多功能监控系统,可以实时检测、记录并自动报警等。
    开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。高频化的实现,需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件,开发高频用的低损磁性材料,改进磁元件的结构及设计方法,提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等,对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。
    总之,人们在开关电源技术领域里,边研究低损耗回路技术,边开发新型元器件,两者相互促进并推动着开关电源以每年超过两位数的市场增长率向小型、薄型、高频、低噪声以及高可靠性方向发展。

电子设备特别是计算机的不断小型化,要求供电电源的体积随之小型化,因而开关电源开始替代以笨重的工频变压器为特征的线性稳压电源,同时电源效率得到明显提高。电源体积的减小意味着散热能力的变差,因而要求电源的功耗变小,即在输出功率不变的前提下,效率必须提高。
高效率功率变换:开关电源设计追求的目标
    相同体积的电源的功率耗散基本相同,因此,欲得到更大的输出功率,必须提高效率,同时,高的电源效率可以有效地减小功率半导体器件的应力,有利于提高其可靠性。
    开关电源的损耗主要为:无源元件损耗和有源元件损耗
    开关损耗一直困惑着开关电源设计者,由于功率半导体器件在开关过程中,器件上同时存在电流、电压,因而不可避免地存在开关损耗,如果开关电源中开关管和输出整流二极管能实现零电压开关或零电流开关,则其效率可以明显提高。
    开关过程引起的开关损耗大致会占总输入功率的5%~10%,大幅度降低或消除这一损耗可使开关电源的效率提高5%~10%。最有效的方法是软开关技术或零电压开关或零电流开关技术。
    在众多软开关的方案中,比较实用的有大功率的全桥变换器,通常采用移相零电压开关的控制方式,这种控制方式要求在初级侧需附加一续流电感以确保开关管在零电压状态下导通,由于较大的有效值电流流过,这个附加电感将发热(尽管比RC缓冲电路小得多),因而在低压功率变换中并不采用。
无源无损耗缓冲电路的特点是不破坏常规PWM控制方式,设计/调试简单。尽管如此,无源无损耗缓冲电路和准谐振/零电压开关工作方式也存在一些缺点,如仅能实现关断软开关以及在反激式变换器中不太适于大负载范围变化。软开关中有源箝位是提高单管正/反激变换器效率的有效方法,最初的专利限制现在已失效,可以普遍应用。
    功率半导体器件的进步:高效率功率变换的根本
    功率半导体器件的进步特别是PowerMOSFET的进步引发出功率变换的一系列的进步:PowerMOSFET的极快的开关速度,使开关电源的开关频率从双极晶体管的20kHz提高到100kHz以上,有效地减小了无源储能元件(电感、电容)的体积。低压PowerMOSFET使低压同步整流成为现实,器件的导通电压从肖特基二极管的0.5V左右,降低到同步整流器的0.1V甚至更低,使低压整流器的效率至少提高了10%。高压PowerMOSFET的导通压降和开关特性的改善,提高了开关电源的初级效率。功率半导体器件的功耗的降低也使散热器和整机的体积减小。
    电源界有一个不成文的观点:不稳压的比稳压的效率高、不隔离的比隔离的效率高、窄范围输入电压的比宽范围输入的效率高。Vicor的48V输入电源模块的效率达到97%。交流输入开关电源需要功率因数校正,由于功率因数校正已具有稳压功能,在对输出纹波要求不高的应用(如输出接有蓄电池或超级电容器),可以采用功率因数校正加不调节的隔离变换器电路拓扑,国外在1986年已有产品,效率到达93%以上。
    在DC48V输入电压的电源模块中,效率在93%以上的模块几乎无一例外地采用前级稳压、后级不调节隔离的方案,并且将第一级的输出电容和第二级的输出电感取消,简化了电路结构。
国内的很多开关电源在设计上对结构设计的关注相对不够,有时会出现电源内的各部分温升不均,有的地方过热,有的地方几乎没有温升,甚至PCB上产生较大的损耗。一个好的开关电源应该是产生热的元件均匀分布在PCB上,而且发热元件的温升基本一致,PCB应有尽可能小的损耗,这在模块电源和塑料外壳的Adapter的设计中尤为重要。
    效率提高的同时:电源的电磁干扰得到减小
    在开关电源的各种损耗中,电磁干扰所产生的损耗,在电源效率高到一定水平后将不容忽视。一方面电磁干扰本身消耗能量,特别是电源效率的提高往往需要软开关技术或零电压开关或零电流开关技术(无论是专门设置还是电路本身固有),应用这些技术减缓了开关过程的电压、电流的变化速率或消除了开关过程,电磁干扰变得很小,不需要像常规开关电源电路中需要专门设置抑制电磁干扰的电路(这个电路是存在损耗的)。
    开关电源进入:高效率功率变换时代
    仔细分析,高效率功率变换看起来是很简单的,甚至有些电路拓扑在20多年前就有介绍(如两级变换拓扑结构,早在UNITRODE82/83年数据手册的ApplicationNote的AN19中就有介绍、TEK2235示波器中也采用了这种功率变换拓扑结构),但受当时的技术水平,特别是人们认识的限制(总是认为两级变换的效率比单级低,而事实上两级变换可以实现事实上的固有的零电压开关,单级变换则需要特殊的附加电路和控制方式)而并没有得到承认和应用。器件的性能和人们认识的提高已经使两级变换作为高效率功率变换的主要方式之一。
    结语
    如今对于开关电源设计工程师和制造厂商而言,先进的功率半导体器件可以方便得到,先进的电路拓扑和控制方式已经开始应用,他们所剩下的就是想办法提高自己的技术水平,同时创造更好的应用机会和市场份额。

 


【上一个】 现代高频开关电源提高输入功率因数的主要方法 【下一个】 智能电网在国内电力系统规划中的发展


 ^ 开关电源的技术追求和发展趋势进入高效率功率变换时代

东方心经2021全年免费资料大全