开关电源进入高效率功率变换时代

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。
    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。
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。

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