開關(guān)穩(wěn)壓電源

0 引言
    開關(guān)穩(wěn)壓電源(以下簡稱開關(guān)電源)問世后，在很多領(lǐng)域逐步取代了線性穩(wěn)壓電源和晶閘管相控電源。早期出現(xiàn)的是串聯(lián)型開關(guān)電源，其主電路拓?fù)渑c線性電源相仿，但功率晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)。隨著脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)的發(fā)展，PWM開關(guān)電源問世，它的特點是用20kHz的載波進行脈沖寬度調(diào)制，電源的效率可達65%~70%，而線性電源的效率只有30％~40％。因此，用工作頻率為20 kHz的PWM開關(guān)電源替代線性電源，可大幅度節(jié)約能源，從而引起了人們的廣泛關(guān)注，在電源技術(shù)發(fā)展史上被譽為20kHz革命。 隨著超大規(guī)模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不斷減小，電源的尺寸與微處理器相比要大得多；而航天、潛艇、軍用開關(guān)電源以及用電池的便攜式電子設(shè)備(如手提計算機、移動電話等)更需要小型化、輕量化的電源。因此，對開關(guān)電源提出了小型輕量要求，包括磁性元件和電容的體積重量也要小。此外，還要求開關(guān)電源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。這一切高新要求便促進了開關(guān)電源的不斷發(fā)展和進步。

1 開關(guān)電源的三個重要發(fā)展階段
    40多年來，開關(guān)電源經(jīng)歷了三個重要發(fā)展階段。
    第一個階段是功率半導(dǎo)體器件從雙極型器件(BPT、SCR、GT0)發(fā)展為MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等)，使電力電子系統(tǒng)有可能實現(xiàn)高頻化，并大幅度降低導(dǎo)通損耗，電路也更為簡單。
    第二個階段自20世紀(jì)80年代開始，高頻化和軟開關(guān)技術(shù)的研究開發(fā)，使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。高頻化和軟開關(guān)技術(shù)是過去20年國際電力電子界研究的熱點之一。
    第三個階段從20世紀(jì)90年代中期開始，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊(IPEM)技術(shù)開始發(fā)展，它是當(dāng)今國際電力電子界亟待解決的新問題之一。

2 開關(guān)電源技術(shù)的亮點
2.1 功率半導(dǎo)體器件性能
    1998年，Infineon公司推出冷MOS管，它采用“超級結(jié)”(Super-Junction)結(jié)構(gòu)，故又稱超結(jié)功率MOSFET。工作電壓600~800V，通態(tài)電阻幾乎降低了一個數(shù)量級，仍保持開關(guān)速度快的特點，是一種有發(fā)展前途的高頻功率半導(dǎo)體器件。
    IGBT剛出現(xiàn)時，電壓、電流額定值只有600V、25A。很長一段時間內(nèi)，耐壓水平限于1200~1700V，經(jīng)過長時間的探索研究和改進，現(xiàn)在IGBT的電壓、電流額定值已分別達到3300V／1200A和4500V／1800A，高壓IGBT單片耐壓已達到6500V，一般IGBT的工作頻率上限為20~40kHz，基于穿通(PT)型結(jié)構(gòu)應(yīng)用新技術(shù)制造的IGBT，可工作于150kHz(硬開關(guān))和300kHz(軟開關(guān))。
    IGBT的技術(shù)進展實際上是通態(tài)壓降，快速開關(guān)和高耐壓能力三者的折中。隨著工藝和結(jié)構(gòu)形式的不同，IGBT在20年的發(fā)展進程中，有以下幾種類型：穿通(PT)型、非穿通(NPT)型、軟穿通(SPT)型、溝漕型和電場截止(FS)型。
    碳化硅(SiC)是功率半導(dǎo)體器件晶片的理想材料，其優(yōu)點是禁帶寬、工作溫度高(可達600℃)、熱穩(wěn)定性好、通態(tài)電阻小、導(dǎo)熱性能好、漏電流極小、PN結(jié)耐壓高等，有利于制造出耐高溫的高頻大功率半導(dǎo)體器件。
    可以預(yù)見，碳化硅將是21世紀(jì)最可能成功應(yīng)用的新型功率半導(dǎo)體器件材料。
2.2 開關(guān)電源功率密度
    提高開關(guān)電源的功率密度，使之小型化、輕量化，是人們不斷追求的目標(biāo)。這對便攜式電子設(shè)備(如移動電話，數(shù)字相機等)尤為重要。使開關(guān)電源小型化的具體辦法有以下幾種。
    一是高頻化。為了實現(xiàn)電源高功率密度，必須提高PWM變換器的工作頻率、從而減小電路中儲能元件的體積重量。
    二是應(yīng)用壓電變壓器。應(yīng)用壓電變壓器可使高頻功率變換器實現(xiàn)輕、小、薄和高功率密度。壓電變壓器利用壓電陶瓷材料特有的“電壓-振動”變換和“振動-電壓”變換的性質(zhì)傳送能量，其等效電路如同一個串并聯(lián)諧振電路，是功率變換領(lǐng)域的研究熱點之一。
    三是采用新型電容器。為了減小電力電子設(shè)備的體積和重量，須設(shè)法改進電容器的性能，提高能量密度，并研究開發(fā)適合于電力電子及電源系統(tǒng)用的新型電容器，要求電容量大、等效串聯(lián)電阻(ESR)小、體積小等。
2.3 高頻磁性元件
    電源系統(tǒng)中應(yīng)用大量磁元件，高頻磁元件的材料、結(jié)構(gòu)和性能都不同于工頻磁元件，有許多問題需要研究。對高頻磁元件所用的磁性材料，要求其損耗小、散熱性能好、磁性能優(yōu)越。適用于兆赫級頻率的磁性材料為人們所關(guān)注，納米結(jié)晶軟磁材料也已開發(fā)應(yīng)用。
2.4 軟開關(guān)技術(shù)
    高頻化以后，為了提高開關(guān)電源的效率，必須開發(fā)和應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)。它是過去幾十年國際電源界的一個研究熱點。
    PWM開關(guān)電源按硬開關(guān)模式工作(開／關(guān)過程中電壓下降／上升和電流上升／下降波形有交疊)，因而開關(guān)損耗大。高頻化雖可以縮小體積重量，但開關(guān)損耗卻更大了。為此，必須研究開關(guān)電壓／電流波形不交疊的技術(shù)，即所謂零電壓開關(guān)(ZVS)／零電流開關(guān)(ZCS)技術(shù)，或稱軟開關(guān)技術(shù)，小功率軟開關(guān)電源效率可提高到800%~85%。上世紀(jì)70年代諧振開關(guān)電源奠定了軟開關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)。隨后新的軟開關(guān)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如準(zhǔn)諧振(上世紀(jì)80年代中)全橋移相ZVS-PWM，恒頻ZVS-PWM／ZCS-PWM(上世紀(jì)80年代末)ZVS-PWM有源嵌位；ZVT-PWM／ZCT-PWM(上世紀(jì)90年代初)全橋移相ZV-ZCS-PWM(上世紀(jì)90年代中)等。我國已將最新軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用于6kW通信電源中，效率達93％。
2.5 同步整流技術(shù)
    對于低電壓、大電流輸出的軟開關(guān)變換器，進一步提高其效率的措施是設(shè)法降低開關(guān)的通態(tài)損耗。例如同步整流(SR)技術(shù)，即以功率MOS管反接作為整流用開關(guān)二極管，代替蕭特基二極管(SBD)，可降低管壓降，從而提高電路效率。
2.6 功率因數(shù)校正(PFC)變換器
    由于AC／DC變換電路的輸入端有整流器件和濾波電容，在正弦電壓輸入時，單相整流電源供電的電子設(shè)備，電網(wǎng)側(cè)(交流輸入端)功率因數(shù)僅為0.6-0.65。采用功率因數(shù)校正(PFC)變換器，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可提高到0.95~0.99，輸入電流THD<10％。既治理了對電網(wǎng)的諧波污染，又提高了電源的整體效率。這一技術(shù)稱為有源功率因數(shù)校正(APFC)，單相APFC國內(nèi)外開發(fā)較早，技術(shù)已較成熟；三相APFC的拓?fù)漕愋秃涂刂撇呗噪m然已經(jīng)有很多種，但還有待繼續(xù)研究發(fā)展。
    一般高功率因數(shù)AC／DC開關(guān)電源，由兩級拓?fù)浣M成，對于小功率AC／DC開關(guān)電源來說，采用兩級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總體效率低、成本高。如果對輸入端功率因數(shù)要求不特別高時，將PFC變換器和后級DC／DC變換器組合成一個拓?fù)?，?gòu)成單級高功率因數(shù)AC／DC開關(guān)電源，只用一個主開關(guān)管，可使功率因數(shù)校正到0.8以上，并使輸出直流電壓可調(diào)，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稱為單管單級PFC變換器。
2.7 全數(shù)字化控制
    電源的控制已經(jīng)由模擬控制，模數(shù)混合控制，進入到全數(shù)字控制階段。全數(shù)字控制是發(fā)展趨勢，已經(jīng)在許多功率變換設(shè)備中得到應(yīng)用。

    全數(shù)字控制的優(yōu)點是數(shù)字信號與混合模數(shù)信號相比可以標(biāo)定更小的量，芯片價格也更低廉；對電流檢測誤差可以進行精確的數(shù)字校正，電壓檢測也更精確；可以實現(xiàn)快速，靈活的控制設(shè)計。
    近兩年來，高性能全數(shù)字控制芯片已經(jīng)開發(fā)，費用也已降到比較合理的水平，歐美已有多家公司開發(fā)并制造出開關(guān)變換器的數(shù)字控制芯片及軟件。
2.8 電磁兼容性
    高頻開關(guān)電源的電磁兼容(EMC)問題有其特殊性。功率半導(dǎo)體器件在開關(guān)過程中所產(chǎn)生的di／dt和dv／dt，將引起強大的傳導(dǎo)電磁干擾和諧波干擾，以及強電磁場(通常是近場)輻射。不但嚴(yán)重污染周圍電磁環(huán)境，對附近的電氣設(shè)備造成電磁干擾，還可能危及附近操作人員的安全。同時，電力電子電路(如開關(guān)變換器)內(nèi)部的控制電路也必須能承受開關(guān)動作產(chǎn)生的EMI及應(yīng)用現(xiàn)場電磁噪聲的干擾。上述特殊性，再加上EMI測量上的具體困難，在電力電子的電磁兼容領(lǐng)域里，存在著許多交叉學(xué)科的前沿課題有待人們研究。國內(nèi)外許多大學(xué)均開展了電力電子電路的電磁干擾和電磁兼容性問題的研究，并取得了不少可喜成果。
2.9 設(shè)計和測試技術(shù)
    建模、仿真和CAD是一種新的設(shè)計研究工具。為了仿真電源系統(tǒng)，首先要建立仿真模型，包括電力電子器件、變換器電路、數(shù)字和模擬控制電路以及磁元件和磁場分布模型等，還要考慮開關(guān)管的熱模型、可靠性模型和EMC模型。各種模型差別很大，建模的發(fā)展方向是數(shù)字一模擬混合建模、混合層次建模以及將各種模型組成一個統(tǒng)一的多層次模型等。
    電源系統(tǒng)的CAD，包括主電路和控制電路設(shè)計、器件選擇、參數(shù)最優(yōu)化、磁設(shè)計、熱設(shè)計、EMI設(shè)計和印制電路板設(shè)計、可靠性預(yù)估、計算機輔助綜合和優(yōu)化設(shè)計等。用基于仿真的專家系統(tǒng)進行電源系統(tǒng)的CAD，可使所設(shè)計的系統(tǒng)性能最優(yōu)，減少設(shè)計制造費用，并能做可制造性分析，是21世紀(jì)仿真和CAD技術(shù)的發(fā)展方向之一。此外，電源系統(tǒng)的熱測試、EMI測試、可靠性測試等技術(shù)的開發(fā)、研究與應(yīng)用也是應(yīng)大力發(fā)展的。
2.10 系統(tǒng)集成技術(shù)
    電源設(shè)備的制造特點是非標(biāo)準(zhǔn)件多、勞動強度大、設(shè)計周期長、成本高、可靠性低等，而用戶要求制造廠生產(chǎn)的電源產(chǎn)品更加實用、可靠性更高、更輕小、成本更低。這些情況使電源制造廠家承受巨大壓力，迫切需要開展集成電源模塊的研究開發(fā)，使電源產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、可制造性、規(guī)模生產(chǎn)、降低成本等目標(biāo)得以實現(xiàn)。
    實際上，在電源集成技術(shù)的發(fā)展進程中，已經(jīng)經(jīng)歷了電力半導(dǎo)體器件模塊化，功率與控制電路的集成化，集成無源元件(包括磁集成技術(shù))等發(fā)展階段。近年來的發(fā)展方向是將小功率電源系統(tǒng)集成在一個芯片上，可以使電源產(chǎn)品更為緊湊，體積更小，也減小了引線長度，從而減小了寄生參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)一體化，所有元器件連同控制保護集成在一個模塊中。
    上世紀(jì)90年代，隨著大規(guī)模分布電源系統(tǒng)的發(fā)展，一體化的設(shè)計觀念被推廣到更大容量、更高電壓的電源系統(tǒng)集成，提高了集成度，出現(xiàn)了集成電力電子模塊(IPEM)。IPEM將功率器件與電路、控制以及檢測、執(zhí)行等單元集成封裝，得到標(biāo)準(zhǔn)的，可制造的模塊，既可用于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，也可用于專用、特殊設(shè)計。優(yōu)點是可快速高效為用戶提供產(chǎn)品，顯著降低成本，提高可靠性。

3 結(jié)語
    以上簡要回顧了開關(guān)電源發(fā)展的歷程和技術(shù)亮點，相信未來開關(guān)電源的理論與技術(shù)發(fā)展將會有更輝煌的成就。