高頻開關(guān)電源技術(shù)

開關(guān)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(shù)的發(fā)展，很多設(shè)備都向便攜式、微型化發(fā)展，這促使電源技術(shù)必須向高頻化發(fā)展，研究表明，電源產(chǎn)品的體積，重量與供電頻率的平方成反比。
 
1）電力電子設(shè)備的小型化、輕量化和高功率密度化
 
電力電子設(shè)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(shù)來降低開關(guān)電源的體積重量。20世紀(jì)人們在提高開關(guān)電源功率密度方面做了不少工作。開關(guān)電源的小型化、減輕重量對便攜式電子設(shè)備（如移動電話、數(shù)碼相機(jī)）尤為重要。為了實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源高功率密度，必須提高PWM DC/DC轉(zhuǎn)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(shù)
 
1980年以前，開關(guān)電源中PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率為20～50 kHz，從1980年起，提高開關(guān)頻率成為減少開關(guān)電源尺寸的最有效手段，同時 也改善了開關(guān)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(guān)電源的標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)頻率。特殊制造的小功率開關(guān)電源，其開關(guān)頻率已 經(jīng)達(dá)到了幾兆赫。
 
如表給出了20世紀(jì)70年代以后的30年，通信和計算機(jī)用開關(guān)電源DC/DC轉(zhuǎn)換器高功率密度的發(fā)展進(jìn)程?？梢姡哳l化、高功率密度和高效率是 開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的重要標(biāo)志。

如表 開關(guān)電源DC/DC轉(zhuǎn)換器的發(fā)展進(jìn)程

 
3）高效率和軟開關(guān)技術(shù)
 
PWM開關(guān)電源按硬開關(guān)模式工作時，在開關(guān)過程中，功率開關(guān)器件的電壓和電流波形有交疊，因而開關(guān)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(guān)頻率越高，開關(guān)損耗越大。為此，必須采取措施來提高高開關(guān)頻率DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率。人們研究了在開關(guān)過程中開關(guān)器件的電壓和電流波形不相交疊的技術(shù)，即所謂零電壓開關(guān)（ZVS）和零電流開關(guān)（ZCS）技術(shù)，總稱為軟開關(guān)技術(shù)（相對于PWM硬開關(guān)技術(shù)而言）。除了減小開關(guān)損耗以外，應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)還可以大大降低開關(guān)的噪聲，以及減小了開關(guān)電源對外界的電磁干擾。
 
20世紀(jì)90年代中期，30A/48V PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器采用移相全橋ZVS-PWM技術(shù)后，重7kg，比用PWM技術(shù)的同類產(chǎn)品重量下降40％。軟開關(guān)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，提高了開關(guān)電源的效率。據(jù)說，最近國外小功率DC/DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)電源模塊（48/12V）總效率可以達(dá)到96％；48/5V DC/DC轉(zhuǎn)換器開 關(guān)電源模塊的效率可以達(dá)到92％～93％。⒛世紀(jì)末，國內(nèi)生產(chǎn)的通信用50～100 A輸出，全橋移相式ZVZCS-PWM開關(guān)電源模塊的效率超過93％。
 
1994年2月，IEEE電力電子學(xué)會組織“功率轉(zhuǎn)換技術(shù)2000年展望專題研討會”，就DC/DC及AC/DC功率轉(zhuǎn)換器的發(fā)展趨勢與需求進(jìn)行討論。指出 “高功率密度DC/DC零電壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器”與開關(guān)器件的性能、無源元件的性能、封裝技術(shù)等有很大關(guān)系。并預(yù)測，與1994年相比，到2000年，在保證可靠性增強(qiáng)一倍的基礎(chǔ)上，DC/DC轉(zhuǎn)換器的成本將降低一半，功率密度可以提高一倍。事實(shí)證明，有的DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到了這個目標(biāo)。[!--empirenews.page--]
 
4）同步整流技術(shù)
 
對于低電壓大電流輸出的開關(guān)電源，進(jìn)一步提高其效率的措施是：在應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，以功率MOS管反接作為整流用開關(guān)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(guān)電源的效率。有報道稱，應(yīng)用軟開關(guān)和同步整流技術(shù)的小功率DC/DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)電源，48/12V模塊的效率可以達(dá)到96％、48％/5V模塊的效率可以達(dá)到92％～93％。
 
日本在一臺100 W的軟開關(guān)（ZVS）開關(guān)電源上試驗(yàn)的結(jié)果是，用SBD的開關(guān)電源效率為83％，電路損耗（包括整流器件、變壓器、開關(guān)管、控制電路、濾波器等）為21W；而改用SR后的開關(guān)電源效率為90％，電路損耗為11W。
 
5）壓電變壓器
 
在高頻開關(guān)電源中，應(yīng)用壓電（Piezo-e1ectric）變壓器（簡稱PET）可以使開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)輕、小、薄和高功率密度。例如，一臺DC/DC開關(guān)電源中的PET，其DC/DC轉(zhuǎn)換器輸人為有源鉗位ZVS逆變電路，產(chǎn)生梯形波交流電，經(jīng)過PET輸出給整流濾波電路。這里應(yīng)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(zhuǎn)換和振動一電壓轉(zhuǎn)換的性質(zhì)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(zhuǎn)換領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，研究的內(nèi)容包括：壓電材料的損耗評估、PET設(shè)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(nèi)已經(jīng)開發(fā)出50 W的PET。在高頻DC/DC轉(zhuǎn)換器中，PET的應(yīng)用已有報道：如輸出24 W、12 V的2 MHz DC/DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器中的壓電變壓器，其輸入為有源鉗位ZVS逆變電路，產(chǎn)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(zhuǎn)換器中的壓電變壓器