高頻開關電源技術

開關電源的發(fā)展使電源擺脫了笨重、低效的變壓線性電源，但是，隨著電子技術的發(fā)展，很多設備都向便攜式、微型化發(fā)展，這促使電源技術必須向高頻化發(fā)展，研究表明，電源產品的體積，重量與供電頻率的平方成反比。
 
1）電力電子設備的小型化、輕量化和高功率密度化
 
電力電子設備的發(fā)展方向之一是小型化，降低其體積、重量，提高功率密度。例如，隨著微處理器大規(guī)模集成電路（VLSI）尺寸的不斷減小，而供電電源的尺寸與微處理器相比卻要大得多。因此，必須采取新的技術來降低開關電源的體積重量。20世紀人們在提高開關電源功率密度方面做了不少工作。開關電源的小型化、減輕重量對便攜式電子設備（如移動電話、數(shù)碼相機）尤為重要。為了實現(xiàn)開關電源高功率密度，必須提高PWM DC/DC轉換器的工作頻率，從而減小電路中儲能元件的體積和重量。
 
2）高頻電力電子技術
 
1980年以前，開關電源中PWM DC/DC轉換器的開關頻率為20～50 kHz，從1980年起，提高開關頻率成為減少開關電源尺寸的最有效手段，同時 也改善了開關電源的動態(tài)性能?，F(xiàn)在⒛0～500 kHz已成為輸出100 W以下開關電源的標準開關頻率。特殊制造的小功率開關電源，其開關頻率已 經達到了幾兆赫。
 
如表給出了20世紀70年代以后的30年，通信和計算機用開關電源DC/DC轉換器高功率密度的發(fā)展進程?？梢?，高頻化、高功率密度和高效率是 開關電源技術發(fā)展進步的重要標志。

如表 開關電源DC/DC轉換器的發(fā)展進程

 
3）高效率和軟開關技術
 
PWM開關電源按硬開關模式工作時，在開關過程中，功率開關器件的電壓和電流波形有交疊，因而開關損耗大。高頻化可以縮小感性元件和容性元件的體積重量，但開關頻率越高，開關損耗越大。為此，必須采取措施來提高高開關頻率DC/DC轉換器的效率。人們研究了在開關過程中開關器件的電壓和電流波形不相交疊的技術，即所謂零電壓開關（ZVS）和零電流開關（ZCS）技術，總稱為軟開關技術（相對于PWM硬開關技術而言）。除了減小開關損耗以外，應用軟開關技術還可以大大降低開關的噪聲，以及減小了開關電源對外界的電磁干擾。
 
20世紀90年代中期，30A/48V PWM DC/DC轉換器采用移相全橋ZVS-PWM技術后，重7kg，比用PWM技術的同類產品重量下降40％。軟開關技術的開發(fā)和應用，提高了開關電源的效率。據(jù)說，最近國外小功率DC/DC轉換器開關電源模塊（48/12V）總效率可以達到96％；48/5V DC/DC轉換器開 關電源模塊的效率可以達到92％～93％。⒛世紀末，國內生產的通信用50～100 A輸出，全橋移相式ZVZCS-PWM開關電源模塊的效率超過93％。
 
1994年2月，IEEE電力電子學會組織“功率轉換技術2000年展望專題研討會”，就DC/DC及AC/DC功率轉換器的發(fā)展趨勢與需求進行討論。指出 “高功率密度DC/DC零電壓開關轉換器”與開關器件的性能、無源元件的性能、封裝技術等有很大關系。并預測，與1994年相比，到2000年，在保證可靠性增強一倍的基礎上，DC/DC轉換器的成本將降低一半，功率密度可以提高一倍。事實證明，有的DC/DC轉換器產品已經達到了這個目標。[!--empirenews.page--]
 
4）同步整流技術
 
對于低電壓大電流輸出的開關電源，進一步提高其效率的措施是：在應用軟開關技術的基礎上，以功率MOS管反接作為整流用開關二極管，稱為同步整流（Synchronous Rectifier，SR），用皿代替肖特基二極管（SBD）可以降低整流管壓降，從而提高開關電源的效率。有報道稱，應用軟開關和同步整流技術的小功率DC/DC轉換器開關電源，48/12V模塊的效率可以達到96％、48％/5V模塊的效率可以達到92％～93％。
 
日本在一臺100 W的軟開關（ZVS）開關電源上試驗的結果是，用SBD的開關電源效率為83％，電路損耗（包括整流器件、變壓器、開關管、控制電路、濾波器等）為21W；而改用SR后的開關電源效率為90％，電路損耗為11W。
 
5）壓電變壓器
 
在高頻開關電源中，應用壓電（Piezo-e1ectric）變壓器（簡稱PET）可以使開關電源實現(xiàn)輕、小、薄和高功率密度。例如，一臺DC/DC開關電源中的PET，其DC/DC轉換器輸人為有源鉗位ZVS逆變電路，產生梯形波交流電，經過PET輸出給整流濾波電路。這里應指明的是，PET不屬于磁元件的范圍。
 
壓電變壓器是利用壓電陶瓷材料特有的電壓一振動轉換和振動一電壓轉換的性質傳送電能的，其等效電路如同一個串并聯(lián)諧振電路。它是功率轉換領域的研究熱點之一，研究的內容包括：壓電材料的損耗評估、PET設計計算方法，仿真、參數(shù)分析、有限元分析、振動速度極限、PET的高頻性能等。國內已經開發(fā)出50 W的PET。在高頻DC/DC轉換器中，PET的應用已有報道：如輸出24 W、12 V的2 MHz DC/DC轉換器（其中PET電壓變比為5:1），輸出2W、1200V AC的口光燈電源（PET電壓變比為1:20），冷陰極熒光燈和霓虹燈逆變器等。如圖所示為DC/DC轉換器中的壓電變壓器，其輸入為有源鉗位ZVS逆變電路，產生梯形波交流電，輸出為整流濾波電路，壓電變壓器如同串、并聯(lián)諧振電路。

如圖 DC/DC轉換器中的壓電變壓器