DC/DC變換器的發(fā)展與應(yīng)用

1引言

直流-直流變換器(DC/DC)變換器廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程及數(shù)據(jù)通訊、計(jì)算機(jī)、辦公自動(dòng)化設(shè)備、工業(yè)儀器儀表、軍事、航天等領(lǐng)域，涉及到國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)。按額定功率的大小來劃分，DC/DC可分為750W以上、750W～1W和1W以下3大類。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，DC/DC變換器在低功率范圍內(nèi)的增長率大幅度提高，其中6W～25WDC/DC變換器的增長率最高，這是因?yàn)樗鼈兇罅坑糜谥绷鳒y量和測試設(shè)備、計(jì)算機(jī)顯示系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和軍事通訊系統(tǒng)。由于微處理器的高速化，DC/DC變換器由低功率向中功率方向發(fā)展是必然的趨勢，所以251W～750W的DC/DC變換器的增長率也是較快的，這主要是它用于服務(wù)性的醫(yī)療和實(shí)驗(yàn)設(shè)備、工業(yè)控制設(shè)備、遠(yuǎn)程通訊設(shè)備、多路通信及發(fā)送設(shè)備，DC/DC變換器在遠(yuǎn)程和數(shù)字通訊領(lǐng)

域有著廣闊的應(yīng)用前景。

DC/DC變換器將一個(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無軌電車、地鐵、列車、電動(dòng)車的無級(jí)變速和控制，同時(shí)使上述控制具有加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能,并同時(shí)收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約20%～30%的電能。直流斬波器不僅能起到調(diào)壓的作用(開關(guān)電源),同時(shí)還能起到有效抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。

DC/DC變換器現(xiàn)已商品化,模塊采用高頻PWM技術(shù),開關(guān)頻率在500kHz左右,功率密度為0.31W/cm3～1.22W/cm3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實(shí)現(xiàn)小型化,因此就要不斷提高開關(guān)頻率和采用新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前，已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)技術(shù)的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。

電子產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展極大地推動(dòng)了開關(guān)電源的發(fā)展。高頻小型化的開關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代電子設(shè)備供電系統(tǒng)的主流。在電子設(shè)備領(lǐng)域中,通常將整流器稱為一次電源,而將DC/DC變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標(biāo)稱值為48V的直流電源。目前，在電子設(shè)備中用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關(guān)電源取代,高頻開關(guān)電源(也稱為開關(guān)型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT實(shí)現(xiàn)高頻工作,開關(guān)頻率一般控制在50kHz～100kHz范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)高效率和小型化。近幾年,開關(guān)整流器的功率容量不斷擴(kuò)大,單機(jī)容量己從48V/12.5A、48V/20A擴(kuò)大到48V/200A、48V/400A。

因?yàn)殡娮釉O(shè)備中所用的集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在電子供電系統(tǒng)中，采用高功率密度的高頻DC/DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,可以大大減小損耗、方便維護(hù),且安裝和增容非常方便。一般都可直接裝在標(biāo)準(zhǔn)控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因?yàn)殡娮釉O(shè)備容量的不斷增加,其電源容量也將不斷增加。

2電力電子器件

功率變換技術(shù)高速發(fā)展的基礎(chǔ)是電力電子器件和控制技術(shù)的高速發(fā)展，在21世紀(jì)，電力電子器件將進(jìn)入第4代即智能化時(shí)代，具有如下顯著的特征。

2.1高性能化

高性能化主要包括高電壓、大容量、降低導(dǎo)通電壓低損耗、高速度和高可靠性等4個(gè)方面。如IGBT的電流可達(dá)2kA～3kA、電壓達(dá)到4kV～6kV，降低損耗是所有復(fù)合器件的發(fā)展目標(biāo)。預(yù)計(jì)在21世紀(jì)IGBT、智能化功率模塊(IPM)等器件的導(dǎo)通電壓可降到1V以下，而MOSFET、IBGT、MCT等器件的應(yīng)用頻率將達(dá)到兆赫數(shù)量級(jí)。

2.2智能化和集成化

智能化的發(fā)展是系統(tǒng)智能集成(ASIPM)，即將電源電路、各種保護(hù)以及PWM控制電路等都集成在一個(gè)芯片上，制成一個(gè)完整的功率變換器IC。集成電力電子模塊(IPEM)是將驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)保護(hù)、自診斷功能的IC與電力電子器件集成在一個(gè)模塊中。由于不同的元器件、電路、集成電路的封裝或相互連接產(chǎn)生的寄生參數(shù)已成為決定電力電子系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，所以采用IPEM方法可減少設(shè)計(jì)工作量，便于生產(chǎn)自動(dòng)化，提高系統(tǒng)質(zhì)量、可靠性和可維護(hù)性，縮短設(shè)計(jì)周期，降低產(chǎn)品成本。

IPEM與IPM或PIC的不同之處在于后者是單層單片集成，一維封裝;而前者是高電壓、大電流、多層多片集成，三維封裝，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，多方向散熱，其熱設(shè)計(jì)也更加重要。IPEM研究課題中有待解決的基本問題是結(jié)構(gòu)的確定和通用性，新型電力電子器件評估的主要方面是開關(guān)單元、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、高電壓大電流功率器件的單片集成。大功率無源器件集成、IPEM三維封裝(控制寄生參數(shù)，將寄生影響控制在最小范圍)、熱管理、IPEM設(shè)計(jì)軟件、接口與系統(tǒng)的兼容性、IPEM性能預(yù)測、可靠性冗余和容錯(cuò)等都需要跨學(xué)科研究。因?yàn)榕c現(xiàn)代電力電子學(xué)相關(guān)的學(xué)科十分廣泛，包括基礎(chǔ)理論學(xué)科，如固體物理、電磁學(xué)、電路理論;專業(yè)理論學(xué)科如電力系統(tǒng)、電子學(xué)、系統(tǒng)與控制、電機(jī)學(xué)及電氣傳動(dòng)、通信理論、信號(hào)處理、微電子技術(shù);及電磁測量、計(jì)算機(jī)仿真、CAD等，覆蓋了材料、器件、電路與控制、磁學(xué)、熱設(shè)計(jì)、封裝、CAD集成、制造、電力電工應(yīng)用等專業(yè)技術(shù)。就目前我國電力電子技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀而言，迫切需要跨學(xué)科并運(yùn)用多種專業(yè)技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合研究，以適應(yīng)當(dāng)今國際電力電子科技前沿技術(shù)的發(fā)展。

2.3模塊化

模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指單元的模塊化。常見的功率器件模塊含有1單元、2單元、6單元直至7單元,包括開關(guān)器件和與之串并聯(lián)的續(xù)流二極管,實(shí)質(zhì)上都屬于"標(biāo)準(zhǔn)"功率模塊(SPM)。近年來,有些公司把開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路也裝到功率模塊中構(gòu)成IPM,不但縮小了整機(jī)的體積,而且更加方便了整機(jī)的設(shè)計(jì)與制造。實(shí)際上,由于頻率不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴(yán)重,對器件造成更大的電應(yīng)力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊(ASPM),它把一臺(tái)整機(jī)的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個(gè)模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經(jīng)過嚴(yán)格、合理的熱、電、機(jī)械方面的設(shè)計(jì),產(chǎn)品性能優(yōu)良。它類似于微電子電路中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個(gè)模塊固定在相應(yīng)的散熱器上,就構(gòu)成一臺(tái)新型的開關(guān)電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,可縮小整機(jī)體積,更重要的是取消了傳統(tǒng)連線,把寄生參數(shù)值降到最小,從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低,提高了系統(tǒng)的可靠性。另外,大功率的開關(guān)電源,由于器件容量的限制和冗余度的增加，從提高可靠性方面考慮,一般采用多個(gè)獨(dú)立的模塊單元并聯(lián)工作,采用均流技術(shù),所有模塊共同分擔(dān)負(fù)載電流,一旦其中某個(gè)模塊失效,其它模塊再平均分擔(dān)負(fù)載電流。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量情況下可滿足大電流輸出的要求,而且通過增加相對于整個(gè)系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊,極大地提高了系統(tǒng)的可靠性,即使萬一出現(xiàn)單個(gè)模塊故障,也不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作,而且可提供充分的時(shí)間進(jìn)行修復(fù)。

3新的DC/DC變換器技術(shù)

3.1VRM技術(shù)

就DC/DC變換器而言，由于現(xiàn)代微處理器和一些超高速大規(guī)模集成電路芯片，如Intel、Pentium、Pro等，要求在低電壓(2.4V～3.3V)、大電流(>13A)狀態(tài)下工作，而其直流母線電壓通常為5V～12V。這樣，就需要將直流母線電壓通過DC/DC變換器進(jìn)行變換，通常用VRM來實(shí)現(xiàn)。顯然，隨著芯片集成密度、工作速度的進(jìn)一步提高，芯片的工作電壓將進(jìn)一步下降，工作電流進(jìn)一步增大。人們對VRM提出了新的挑戰(zhàn)，要求VRM具有非常快速的負(fù)載電流響應(yīng)，在保證足夠小的體積的同時(shí)，還要具有高效率。要使VRM具有快速的負(fù)載電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)，傳統(tǒng)的解決辦法是在VRM的輸出端并聯(lián)很多容量很大、等效串聯(lián)電阻很小的退耦電容器。顯然，該方法存在如下問題：

1)退耦電容器體

積很大，而現(xiàn)代微處理器對VRM的體積有著嚴(yán)格的要求。

2)退耦電容器僅能改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響階段，對后階段及總的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間沒有作用。[!--empirenews.page--]

一種交錯(cuò)疊加型準(zhǔn)方波抵消紋波的變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是其最新的解決方案，如圖1所示，該結(jié)構(gòu)在保證要求輸出紋波的前提下，不但可以大大減少輸出濾波電容器的容量，而且能大大減少VRM輸出濾波電感的電感量。除此以外，為了提高VRM的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，還必須力求減小供電母線的引線電感，其最有效的解決方案是將VRM作成“裝在印刷板上”的直流分布式電源形式，直接裝在負(fù)載附近。另一方面，還要求VRM本身具有十分小的引線電感，為了保證VRM具有足夠的效率，必須采用同步整流器和漏感很小的超薄型變壓器。

3.2軟開關(guān)技術(shù)

為了縮小DC/DC變換器的體積，提高功率密度，改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)，高頻化是DC/DC變換器技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。但高頻化又會(huì)產(chǎn)生新的問題，如開關(guān)損耗及無源元件的損耗增大，高頻寄生參數(shù)及高頻EMI問題等。應(yīng)用各種軟開關(guān)技術(shù)(包括無源無損軟開關(guān)技術(shù)，有源軟開關(guān)技術(shù))可以減少開關(guān)損耗，提高效率。

1994年2月，IEEE電力電子學(xué)會(huì)組織“功率變換技術(shù)2000年展望專題研討會(huì)”，就DC/DC及AC/DC功率變換器的發(fā)展趨勢與需求進(jìn)行探討，指出高功率密度DC/DCZVS開關(guān)變換器與器件性能、無源元件、封裝技術(shù)等有很大關(guān)系。與1994年對比，2000年，在保證可靠性增加一倍的基礎(chǔ)上，這種變換器功率密度提高一倍，成本降低一半。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代，各種軟開關(guān)技術(shù)，如ZVS/ZCS—PWM、ZVT/ZCT—PWM、移相全橋ZVS—PWM、有源箝位ZVS—PWM等的開發(fā)和應(yīng)用都有較大的發(fā)展。美國Vicor公司生產(chǎn)的48V/600WDC/DC開關(guān)變換器模塊，由于采用高頻軟開關(guān)技術(shù)，功率密度達(dá)到7.32W/cm3,效率為90%，而3MHz、低電壓(1V)輸出的便攜式DC/DC變換器也正在研究開發(fā)中。

3.3高頻磁技術(shù)

隨著電力電子電路與系統(tǒng)的高頻化，在低頻下可以忽略的某些寄生參數(shù)，在高頻下將對某些電路性能(開關(guān)尖峰能量、噪聲水平等)產(chǎn)生重大影響，尤其是磁元件的渦流、漏電感、繞組交流電阻(Rac)和分布電容等在低頻和高頻下的表現(xiàn)有很大不同。

20世紀(jì)90年代高頻磁技術(shù)研究的另一項(xiàng)成果是適用于薄型高頻開關(guān)變換器的薄型平面變壓器，其厚度小于1cm，呈扁平狀。繞組采用銅箔或板型印刷電路，省去繞組骨架，有利于散熱，漏感小，集膚效應(yīng)損耗小。2000年，磁性材料研究的主要方向是：(1)高溫超導(dǎo);(2)將鐵氧體或其它薄膜材料高密度集成在硅片上或硅材料集成在鐵氧體上;(3)錄音磁頭用薄膜材料高密度集成在硅片上或硅材料集成在鐵氧體上。

將變壓器和電感器集成在一起可縮小磁元件的體積，應(yīng)用混合功率封裝技術(shù)和集成磁技術(shù)可使航空用0.5MHz、薄型100W半橋式DC/DC變換器的厚度僅為5.08mm，功率密度達(dá)9.15W/cm3。壓電變壓器的應(yīng)用也使功率變換器電路小型化，如輸出24W的2MHz的DC/DC變換器，應(yīng)用壓電變壓器的變比為5：1，在DC/DC開關(guān)電源領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，壓電變壓器

的應(yīng)用將開創(chuàng)DC/DC變換器小型化的發(fā)展之路。

4高頻開關(guān)電源的發(fā)展趨勢

在電力電子技術(shù)及各種電源系統(tǒng)中，開關(guān)電源技術(shù)處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頻開關(guān)電源技術(shù),其體積和重量都會(huì)大幅度下降,而且可極大地提高電源的利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動(dòng)汽車和變頻傳動(dòng)中,更是離不開開關(guān)電源技術(shù)，通過開關(guān)電源改變用電頻率,從而達(dá)到近于理想的負(fù)載匹配和驅(qū)動(dòng)控制。高頻開關(guān)電源技術(shù)更是各種大功率開關(guān)電源(逆變焊機(jī)、通信電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術(shù)。

4.1高頻化

理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,電氣產(chǎn)品的變壓器、電感器和電容器的體積和重量與供電頻率的平方根成反比。所以，當(dāng)我們把頻率從工頻50Hz提高400倍到20kHz時(shí),則電氣設(shè)備的體積和重量大體下降至工頻設(shè)計(jì)的5%～l0%。無論是逆變式整流焊機(jī),還是通信電源用的開關(guān)式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)"整流行業(yè)"的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進(jìn)行改造,成為“開關(guān)變換類電源”,可節(jié)約主要材料90%或更多,還可節(jié)電30%或更多。由于功率器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化,可節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料，由此帶來相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益,更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價(jià)值。

4.2數(shù)字化

在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中,控制部分是按模擬信號(hào)來設(shè)計(jì)和工作的。在20世紀(jì)70年代,電力電子技術(shù)完全建立在模擬電路基礎(chǔ)上。但是,現(xiàn)在數(shù)字式信號(hào)、數(shù)字電路顯得越來越重要,數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點(diǎn):便于計(jì)算機(jī)處理控制，避免模擬信號(hào)的畸變失真，減小雜散信號(hào)的干擾(提高抗干擾能力)，便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào),也便于自診斷、容錯(cuò)等技術(shù)的植入。所以,在20世紀(jì)90年代,對于各類電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說,模擬技術(shù)還是有用的,特別是諸如印制版的布圖、電磁兼容問題以及功率因數(shù)校正等問題的解決,離不開模擬技術(shù),但是對于智能化的開關(guān)電源,當(dāng)用計(jì)算機(jī)控制時(shí),就需要數(shù)字化技術(shù)。

4.3綠色化

電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電,這意味著發(fā)電容量的節(jié)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次是這些電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染,國際電工委員會(huì)(IEC)對此制定了一系列標(biāo)準(zhǔn),如IEC555、IEC917、IECl000等。事實(shí)上,許多功率電子節(jié)電設(shè)備,往往會(huì)變成電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴(yán)重的高次諧波電流,使總功率因數(shù)下降,使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀(jì)末,各種有源濾波器和有源補(bǔ)償器的方案誕生,有了多種校正功率因數(shù)的方法，為2l世紀(jì)批量生產(chǎn)各種綠色開關(guān)電源奠定了基礎(chǔ)。

現(xiàn)代電力電子技術(shù)是開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著新型電力電子器件和適于更高開關(guān)頻率的拓?fù)潆娐返牟粩喑霈F(xiàn),現(xiàn)代電源技術(shù)將在實(shí)際需要的推動(dòng)下快速發(fā)展。在傳統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)下,由于功率器件性能的限制而使開關(guān)電源的性能受到影響。為了極大地發(fā)揮各種功率器件的特性,使器件性能對開關(guān)電源性能的不利影響減至最小,新的電源拓?fù)潆娐泛托滦涂刂萍夹g(shù),可使功率開關(guān)在零電壓或零電流狀態(tài)下工作,從而可大大提高工作頻率,提高開關(guān)電源的工作效率,設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的開關(guān)電源。

總之,電力電子及開關(guān)電源技術(shù)隨應(yīng)用需求而不斷向前發(fā)展,新技術(shù)的出現(xiàn)又會(huì)使許多應(yīng)用產(chǎn)品更新?lián)Q代,還會(huì)開拓更多更新的應(yīng)用領(lǐng)域。開關(guān)電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實(shí)現(xiàn),將標(biāo)志著這些技術(shù)的成熟,實(shí)現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。這幾年,隨著IC技術(shù)的發(fā)展,以開關(guān)電源技術(shù)為核心的電子設(shè)備用開關(guān)電源,僅國內(nèi)就有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內(nèi)外一大批科技人員對其進(jìn)行開發(fā)研究。開關(guān)電源代替線性電源和相控電源已是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億市場需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在啟動(dòng),并將很快發(fā)展起來，另外，還有其它許多以開關(guān)電源技術(shù)為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)。