高频开关电源的发展趋势

高频开关电源的发展趋势摘要：本文主要从高频开关电源的背景展开对其研究的价值和意义，再从当下对高频开关电源的发展应用中整理出其以后的发展趋势。关键词：高频开关电源电力电子技术发展趋势Keywords:highfrequencyswitchpowersupply,powerelectronics,developmenttendency.1.高频开关电源的背景和基本概念线性电源、开关电源和相控电源是当下应用最广泛的直流电源，而在开关电源出现之前，线性电源应用于各种电子装置和电气控制设备中，由于直流电源与线性稳压电源相比在性能指标上具有很大的优势，逐步将线性电源取代(除一些对直流输出电压波纹高要求的场合外)。对于相控电源具有电路简单方便控制的优点，但是存在着体积大、输出滤波电感大、频率低导致控制的响应速度慢的缺点，所以相控电路只在很大功率的应用场合采用。随着电子技术的发展，电源系统的应用领域也在不断的扩大，电子设备的正常运行不能没有电源供应稳定的电能。各式各样的电子设备种类增多，趋于小型化成本化的同时，对电源的要求也不断增多，如电源的灵活性、体积轻、效率高等。为了缩小开关变换器的体积、提高其功率、改善响应，开关频率大幅提高，高频化成为一种趋势。首先我们知道开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。高频开关电源是交流输入直流整流，然后经过功率开关器件（功率晶体管、MOS管、IGBT等）构成放入逆变电路，将高压直流（单相整流约300V，三相整流约500V）变换成方波（频率为20kHz）。高频方波经高频变压器降压得到低压的高频方波，再经整流滤波得到稳定电压的直流输出。作为实现电能变换和功率传递的重要设备与应用领域，是一种技术含量高、知识面宽、更新换代快的产品。它已经广泛用于国民经济的各个范围：通信微机、电力控制、工业生产、能源交通、航空航天舰船机车、照明医疗、家用电器、彩电音响和VCD、显示器等领域。2.高频开关电源的优点（1）、重量轻，体积小由于采用高频技术，去掉了工频（50Hz）变压器，与相控整流器相比较，在输出同等功率的情况下，开关电源的体积只是相控整流器的1/10，重量也接近1/10。（2）、功率因数高相控整流器的功率因数随可控硅导通角的变化而变化，一般在全导通时，可接近0.7，以上，而小负裁时，但为0.3左右。经过校正的开关电源功率因数一般在0.93以上，并且基本不受负载变化的影响。（3）、可闻噪声低在相控整流设备中，工频变压器及滤波电感作时产生的可闻噪声大，一般大于60db，而开关电源在无风扇的情况下可闻噪声仅为45db左右。（4）、效率高开关电源采用的功率器件一般功耗较小，带功率因数补偿的开关电源其整机效率可达88%以上，较好的可以做到92%以上。（5）、冲击电流小开机冲击电流可限制在额定输入电流的水平。（6）、模块式结构由于体积小，重量轻，可设计为模块式结构。3.高频开关电源的发展应用研究（1）、模块化及其并联均流技术模块化包括功率器件的模块化和电源单元的模块化。模块化的整机因缩小了体积而方便使用，同时取消传统连接降低寄生参数，降低器件承受的电应力，从而提高了系统的可靠性。大功率的开关电源中，一般采用多个独立的模块并联，采用均流技术，使得所有模块共同分担负载电流，保证某一模块失效时，其他模块仍能继续平均分担负载电流，不影响系统的正常工作。作为高频开关电源的发展方向之一，对于并联运行的模块，最关键的问题是单个模块根据各自的功率等级平均负担负载电流，也就是并联模块之间的均流问题。为了提高系统的稳定性和实用性，并联电源必须具有下列特性：各模块承受的电流能动平衡，实现均流；当输入电压或负载电流变化时，应保持输出电压稳定，并且均流的瞬态响应好；采用冗余供电系统保证任一电源模块故障时，负载可以获得足够的功率，并且能实现故障模块自动隔离和热更换。输出阻抗法、主从设置法、平均值均流法和最大电流自动均流法是常用的并联均流法，不同方法各有各自的优点和缺点。其中输出阻抗法和最大电流自动均流法应用非常广泛，并且已有现成的集成控制芯片，比较常用的负载均衡器有UC3907、UC3902等。（2）、控制技术发展开关变换器具有强非线性、离散性、变结构的特点，负载性质也是多变的，因此，主电路的性能必须满足负载大范围的变化，这使开关电源的控制方法和控制器的设计变得比较复杂。电流型控制及多环控制在开关电源中得到了较广泛的应用；电荷控制、单周期控制等技术使开关电源的动态性能有了很大的提高。一些新的方法，如自适应控制、模糊控制、神经网络控制及各种调制方式在开关电源中的应用，已经引起关注。随着微电子技术的发展，微控制器的处理速度越来越快，集成度越来越高，将微控制器或者DSP应用到大功率开关电源的数字控制模块已经成为现实。开关电源的高性能数字控制芯片的出现，推动了电源数字化的进程。数字控制可以实现精细的非线性算法，监控多部件的分布电源系统，减少产品测试的调整时间，使产品生产率更高。实时数字控制可以实现快速、灵活的控制设计，改善电路的瞬态响应性能，使之速度更快、精度更高、可靠性更强。（3）、软开关技术传统大功率开关电源逆变主电路结构多采用PWM硬开关控制的全桥电路结构，功率开关器件在开关瞬间承受很大的电流和电压应力，产生很大的开关损耗，且随着频率的提高而损耗增大。工作频率在20kHz，采用IGBT功率器件的PWM硬开关控制的电源，功率器件开关损耗占总损耗的60%~70%，甚至更大。为了消除或抑制电路的电压尖峰和浪涌电流，一般增加缓冲电路，不仅使电路更加复杂，还将功率器件的开关损耗转移到缓冲电路，而且缓冲电路的损耗随着工作频率的提高而增大。软开关技术利用谐振原理，使开关器件两端的电压或流过的电流呈区间性正弦变化，而且电压、电流波形错开，使开关器件实现接近零损耗。谐振参数中吸收了高频变压器的漏抗、电路中寄生电感和功率器件的寄生电容，可以消除高频条件下的电压尖峰和浪涌电流，极大地降低器件的开关应力，从而大大提高开关电源的效率和可靠性。（4）、专用集成电路作为高频开关电源的控制系统和指挥中心，其专用集成电路产要完成多项功能：脉宽调制、检测传感、自动保护、变频调节、智能管理等。由于Ic的半导体工艺不断优化变革，从双极管结构发展到BCDMOS混合型，使耗电更少、污染更低、可靠性增高，更加集成化、小型化、智能化、绿色化。高频开关电源专用集成电路包括了模拟和数宇电路，其常见电路脉冲宽度调制PWM比较器、RC高频振荡器、误差电流放大器、精密基电压参考电路、光电耦台电路、各类直流偏置电路，以及过压保护电路、过流限制比较器、欠压锁定比较器等。它们的基本单元电路结构为差分放大器、双差分模拟乘法器、运算放大器、电压比较器、恒流源、恒压镜像恒流源、VOC压控振荡器、直流电平位移电路等。UNITRODE公司的各类Ic产品，是国际上高频开关电源专用集成电路的主流产品．有相当一些品种被选作国际标准。它们大致分为八、九类：电流型控制器Ic(约70种)、电压型控制器Ic(近40种)、谐振型控制器IC(约20种)、功率因数校正器PFCtc(十几种)、MOSFET驱动器Ic(近20种)、线性调节器(20多种)、直流电机控制和电池充电保护管理Ic(约十几种)、接口电路和特殊功能Ic(几十种)。……4.总结高频开关电源的发展趋势开关电源会是稳压电源未来发展的主流趋势，而根据目前应用研究中的一些潜在问题，它的发展趋势可表现为以下方面：(1)模块化模块化包括功率器件的模块化和电源单元的模块化。模块化的整机因缩小了体积而方便使用，同时取消传统连接降低寄生参数，降低器件承受的电应力，从而提高了系统的可靠性。大功率的开关电源中，一般采用多个独立的模块并联，采用均流技术，使得所有模块共同分担负载电流，保证某一模块失效时，其他模块仍能继续平均分担负载电流，不影响系统的正常工作。(2)使用稳定化决定电源使用时间的长短和稳定性的因素包括电解电容、光耦合器和排风扇，因此，当下的设计正是尽力改善器件的使用，利用模块化技术可以提升开关电源的稳定性。(3)低噪化在传统的开关电源中频率和噪声成正比，频率越高噪声越大。采用部分谐振转换技术，可以提高效率的同时降低噪声。所以低噪化也是开关电源发展的一个趋势。(4)数字化在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC)问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。(5)节能绿色化现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下,由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性,使器件性能对开关电源性能的影响减至最小,新型的电源电路拓扑和新型的控制技术,可使功率开关工作在零电压或零电流状态,从而可大大的提高工作频率,提高开关电源工作效率,设计出性能优良的开关电源。总之，在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。5.参考文献1.电力电子技术在高频开关电源中的应用（杨威、卢俊黄岩供电局浙江黄岩）；2.高频开关电源设计研究（孟凡宇天津理工大学）；3.ThedesignanddevelopmentofanovelflybackplanartransformerforhighfrequencyswitchmodeDC–DCconverterapplications（K.I.Arshaka,*,B.AlmukhtarbaElectronicandComputerEngineeringDepartment,UniversityofLimerick,Limerick,IrelandbCandDTechnologies,PowerConversionLtd,ShannonIndustrialEstate,Shannon,Co.Clare,Ireland）；4.论高频开关电源模块并联均流之设计（徐松强福建南平工业技术学校福建·南平353000)；5.高频开关电源专用集成电路的分类与发展概况（刘胜利深圳中电公司电力所深圳518042)。