开关电源开始进入技术变换的新时代

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。

    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。

开关电源是利用现代电力电子技术,采用功率半导体器件作为开关,通过控制开关晶体管开通和关断的时间比率(占空比),调整输出电压,维持输出稳定的一种电源。早在20世纪80年代计算机电源全面实现了开关电源化,率先完成计算机电源换代,进入90年代开关电源已广泛应用在各种电子、电器设备,程控交换机、通讯、电力检测设备电源和控制设备电源之中。开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比,两者的成本都随着输出功率的增加而增长,但两者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上,反而高于开关电源,这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新,使的开关电源技术也不断的创新,这一成本反转点日益向低输出电力端移动,从而为开关电源提供了广阔的发展空间。

    开关电源高频化使其发展的方向,高频化使开关电源小型化,并使开关电源更进入更广泛的应用领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了高技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

    开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化,因此国外各在开关电源制造商都致力同步开发新型高智能化的元器件,特别是改善二次整流器件的损耗,并在功率铁氧体(Mn-Zn)材料上加大科技创新,以提高在高频率和较大磁通密度(Bs)下获得高的磁性能,而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展,在电路板两面布置元器件,以确保开关电源的轻、小薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新,实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术,并大幅提高了开关电源的工作效率。对联高可靠性指标,美国的开关电源生产商通过降低运行电流,降低结温等措施以减少器件的应力,使得产品的可靠性大大提高。

    模块化是开关电源发展的总体趋势,可以用模块化电源组成分布式电源系统,可以设计成N+1冗余电源系统,并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点,若单独追求高频化,其噪声也必将随着增大,而用部分谐振转换电路技术,在理论上即可实现高频化又可降低噪声,但部分谐振转换技术实际应用仍存在着技术问题,故仍需在这一领域开展大量的工作,使得多项技术得以实用化。电力电子技术的不断创新,开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国开关电源产业的发展速度就必须走技术创新之路,走出有中国特色的产学研联合发展之路,为我国国民经济的高速发展做出贡献。

 


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