20世纪推动开关电源发展的主要技术
时间：2014-07-07 阅读：2312
20世纪90年代，功率半导体器件有许多新的进展，主要有以下几方面。
1.功率MOSFET和IGBT已*可代替功率晶体管(GTR)和中小电流的晶闸管，使实现开关电源高频化有了可能。超快恢复功率二极管和MOSFET同步整流技术的开发，也为研制率或低电压输出的开关电源创造了条件。
2.功率半异体器件的水平超过预测，电压、电流额定值分别达到：IGBT-3300V，1200A和2500V，1800A；PowerMOSFET-500V，240A；GCT（GateCommutatedTurn-offThyristor）---4.5kV，4kA，可望取代GTO；二极管---5000V，4000A。
3.功率半异体器件的晶片理想材料是碳化硅(SiC)，已做出25mm，40mm晶片，并试制出一批SiC器件样品，如肖特基二极管---1750V，70mA，正向压降VF=1.3V；功率MOSFET---750V，15mA，R∞=66mΩ·cm2；晶闸管---950V，6A，通态压降3.67V。但SiC器件要达到实用化的要求，还需要一定时间，价格要进一步下降，如小于100美元/片。
4.20世纪80年代，将功率器件与驱动、智能控制、保护、逻辑电路等集成封装，称为智能功率模块(PIM)或智能功率集成电路(SmartPowerIC)。它与VLSI的区别是，IPM工作电压高，可达15V,环境温度可达+125℃。
20世纪90年代，大规模颁布电源系统的发展将IPM的设计观念推广到更大容量、更高电压的集成电力电子电路，并提高了集成度，称为集成电力电子模块(IPEM)。它将功率器件与电路、控制，以及检测、执行等元器件集成封装，得到标准的、可制造的模块，既可用于标准设计，也可用于、特殊设计。优点是可快速为用户提供产品，显著降低成本，提高可靠性。
进入21世纪，功率半导体器件的商业化水平已经很高，IGBT容量已达4500A/1700V，能够耗散15kW功率；IPM智能功率模块7单元150A、1200V已经流通多年。功率MOSFET、快恢复二极管、整流桥、驱动IC等都不可同日而语。这些开关电源基础器件的长足进步，为开关电源的发展提供了重要的物质保证。
二、软开关技术
PWM开关电源按硬开关模式工作，开关过程中，开关器件的电压和电流波形有交叠，因而开关损耗大。PWM开关电源高频化可以缩小体积和质量，但频率越高，开关损耗越大。为此必须研究开关电压和电流波形不交叠的技术，即所谓零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)技术，又称软开关技术（相对于PWM硬开关技术而言）。
20世纪90年代中期，30A/48V开关变换器采用移相全桥ZCS-PWM技术后，质量为7kg，比用PWM技术的同类产品下降40%。软开关技术的开发和应用提高了开关电源的效率，据说，zui近国外小功率DC-DC开关电源模块（48V/12V）总效率可达96%，48V/5V产品可达92%-93%。20世纪末，国产的通信用50-100A输出、全桥移相ZVZCS-PWM开关电源模块的效率超过93%。
1994年2月，IEEE电力电子学会组织“功率变换技术2000年展望专题研讨会”，就DC-DC及AC-DC功率变换器的发展趋势需要进行探讨。会议指出，“高功率密度DC-DC零电压开关变换器”与开关器件性能、无源元器件性能、封装技术等有很大关系。并预测，与1994年对比，到2000年，在保证可靠性增加一倍的基础上，功率变换器成本将降低一半，功率密度可提高一倍。现在，开关变换产品已超过这一目标。
三、控制技术
由于开关变换器的强非线性，以及它具有的离散和变结构的特点，负载性质也是多变的，主电路的性能必须满足负载大范围的变化，所有这些使开关变换器的控制问题和控制器的设计较为复杂。一些新的控制方法，如自适应、模糊控制、神经网络控制及各种调制策略在开关电源中的应用，已引起人们的注意。
电流型控制及多环控制（multi-loopcontrol）已在开关电源中得到较广泛的应用；电荷控制(chargecontrol)、一周期控制(onecyclecontrol)、H∞控制、DSP控制等技术的开发及相应集成控制芯片的研制，使开关电源动态性能有很大提高，电路也大幅度简化。
四、有源功率因数校正技术
由于输入端有整流元件和滤波电容，一大类整流电源供电的电子设备，其电网侧（输入端）功率因数仅为0.65，而用有源功率因数校正技术（简称APFC）可提高到0.95-0.99，既治理了电网的谐波“污染”，又提高了电源的整体效率。单相APFC国外开发较早，技术已较成熟；三相APFC由则类型较多，还有告待发展。
国内通信电源专业工厂已将有源功率因数校正技术应用于输出6KW、100A的一次电源中，输入端功率因数可达0.92-0.93。
五、高频磁元件
1.平面磁心及平面变压器技术
平面变压器适用于薄型(lowprofile)高频开关变换器，其厚度小于1cm，呈扁平状。平面变压器要求磁心、绕组都平面结构，绕组采用铜箔或板形印制电路，省去绕组骨架，有利于散热，漏感LIK小，集肤效应损耗小，用于便携式(por-table)电子设备电源及板上电源。平面变压器的性能与诸多因素有关，如绕组结构与布置、端部设计、铜片厚度、磁心几何尺寸等。现在上正用二维有限元法研究RAC和LIK。设计zui小的绕组结构，并开发平面变压器的优化设计软件等。
据报道，国外已有多家公司开发了平面变压器。5W-20KW平面变压器的体积及功率密度仅为传统高频变压器的20%，一个手提箱内可放总功率达几十千瓦的十几种平面变压器。效率为97%-99%；工作频率为50kHZ-2MHZ；漏感小于0.2%；EMI很小。
2.集成磁元件
将多个磁元件(如变压器和电感)集成在一个磁心上，称为集成TL磁元件，可减少变换器体积，降低损耗。
国外已有集成磁元件(IntegratedMagnetics,IM)变换器，功率为50W,有5V及15V两路输出的正激IM变换器，频率为100kHZ，变压器和输出滤波电感集成在一个磁心上。例如，应用混合功率封装技术和集成磁技术使航空用0.5MHZ、薄型100W半桥式DC-DC变换器的厚度仅0.21in，功率密度达150W/in3。南非Hofsajer(PESC,1997)报道了研究集成磁电元件的成果，将5kV·A、ƒ=25kHz串联谐振变换器的LC谐振元件(C=500nF,L=60μH)和变压器(电压比430：80)集成在一个平面磁心上，称为LCT集成元件。
另一种集成磁技术是阵列式磁元件，将电路中磁元件离散化，形成分布式阵列布置，或形成磁结构层，便磁结构与电路板或其他器件紧密配合，实现集成化。
3.用微加工（micro-fabrication）技术研制兆赫级高频变换器的磁元件
微加工是指FinePatterning和薄膜制作技术，可减少磁心和绕组中的损耗，使变压器面积小于10mm2，还有可能像VLSI哪样制造集成功率电子电路，将磁元件、功率电路、控制电路集成在硅片上。借用录音磁带的薄膜合金材料，可使高频磁元件的磁密增高。加州大学Berkely分校微加工实验室已研制成10MHz变压器，开发了*设计软件，变压器单位面积功率为20W/cm2，效率可达90%以上。
4.压电变压器
压电(piezo-electric)变压器简称PET，实际上已不属于磁元件的范围。它是利用压电陶瓷材料的电压-机械振动-电压变换性质传送能量的。在高频功率变换器中应用，可实现轻、小、薄和高功率密度，是20世纪90年代功率变换领域的热点之一。研究内容包括压电材料诉损耗评估、PET设计计算方法、仿真、参数分析、有限元分析、振动速度极限，PET的高频性能等。PET在高频变换器中的应用已有报道，如输出24W、12V的2MHzDC-DC变换器(其中PET电压比为5:1)；输出2W，1200V的日光灯电源(PET电压比为1:20)；冷阴极荧光灯和霓虹灯逆变器等。
六、饱和电感的应用
饱和电感有两种:可控饱和和自饱和(self-saturable)电感，前者习惯称为磁放大器。
20世纪80年代，由于高频磁性材料，如非晶态软磁合金、超微晶勒磁合金等的发展，使有可能在多路输出的高频(>100kHz)开关电源中，用高频可控饱和电感作为其中一路输出(如5V)的电压调节元件，主要输出（如12V）仍用PWM控制，由高频可控饱和和电感组成的电路称为后置调节器(post-regulator)或磁放大(magamp)调节器，但这里并未按放大器原理工作，因此称为“磁调节器”较合适。其优点是电路简单、EMI小、可靠、，可较地调节输出电压，特别适合应用于输出电流为1A到几十安的开关电源。
自饱和电感即带铁心（无空隙）的线圈，其特点是电感量随通过的电流大小自动变化，电流足够大时，铁心自动进入饱和状态。如果铁心磁特性是理想的(如呈矩形)，则自饱和电感类似一个磁“开关”。在开关电源中，应用自饱和电感和变压器二次侧输出整流管串联，可消除二次寄生振荡，减少循环能量，吸收浪涌，抑制尖峰，使整流管损耗减小。
此外，自饱和电感在移相全桥ZVS-PWM开关电源中可作为谐振电感，扩大轻载下满足ZVS条件的范围，并使其占空比损失zui小；在变压器一次侧串接电容和自饱和电感，可实现混合ZVZCS-PWM控制。
七、低电压、大电流输出DC-DC变换器
数据处理系统的速度和效率日益提高，新一代微处理器的逻辑电压低至1.1-1.8V，而电流可达50-100A，其供电电源-低电压、大电流输出DC-DC变换器模块，又称为电压调整器模块(VoltageRegulatorModule,VRM)。新一代微处理器对VRM的要求是输出电压很低、输出电流大、电流变化率高、响应快等。
为降低IC的电场强度和功耗，必须降低微处理器供电电压，因此VRM的输出电压要从传统的3V左右降低到小于2V,甚至1V。
运行时，电源输入电流大于100A，由于存在寄生L、C参数，电压扰动大，应尽量减少L的影响。
微处理器启/停频繁，不断从休眠状态启动，工作，再进入休眠状态。因此要求VRM电流从0突变到50A,又突降到0，电流变化率达/ns。
设计时应控制扰动电压≤10%，允许输出电压变化范围在±2%之间。
线路的寄生阻抗、电容的ESR和ESL对VRM在负载变化过程中的电压调整影响很大，必须研制高频、高功率密度和快速的新型VRM。现在已有多种拓扑问世，如同步整流Buck变换器(用功率MOS管作为开关二极管)；为防止电流大幅度变化时由于高频寄生参数引起输出电压扰动，增大输出滤波电容、电感；多输入通道(munlti-channel或multi-phase)DC-DC变换器，应用波形交错(interleaving)技术，保证VRM输出纹波小，改善输出瞬态响应，并可减小输出滤波电感和电容。
八、分布电源及并联均流技术
分布电源技术是通过250-425V/48VDC-DC变换器和48V母线电压给负载板(board)供电，再通过板上若干个并联的薄型DC-DC变换器，将48V变换为负载所需要的3-5V。一般DC-DC变换器的功率密度达100W/in3，效率为90%，并且应是可并联的。分布电源系统适合于用超高速集成电路组成的大型工作站、大型数字电子交换系统等。其优点是，可降低48V母线上的电流和电压降；容易实现N+1冗余，提高了系统可靠性，易于扩增负载容量；散热好；瞬态响应好；减少电解电容器数量；可实现DC-DC变换器组件模块化；易于使用插件连接；可在线更换失效模块等。
九、电源智能化技术
电子电源微处理监控、电源系统内部通信、电源系统智能化等技术的应用，在国内外均已较成熟。
十、开关电源的EMI与EMC
美国Virginia工学院、香港大学、浙江大学和清华大学等均开展了开关电源的EMI与EMC问题研究，并取得了不少可喜成果。