开关电源文献综述

广西科技大学普通本科课程设计文献综述课程名称现代电源技术课题名称开关电源综述学院职业技术教育学院专业电气工程及其自动化班级电气(职)132学号201501405104姓名徐家标指导教师林春兰2016年10月23日目录1电源的定义………………………………………………………………………………12开关电源应用于分类……………………………………………………………………12.1开关电源的应用……………………………………………………………………12.2开关电源的分类……………………………………………………………………13电源技术发展及现存问题………………………………………………………………23.1电源技术发展的历程………………………………………………………………23.2电源技术发展中的问题……………………………………………………………24目前电源发展的趋势……………………………………………………………………35电源技术的改进方法……………………………………………………………………46总结………………………………………………………………………………………5参考文献……………………………………………………………………………………6开关电源文献综述-1-1电源的定义电源是电子设备中的一个重要组成部分，其性能的优劣直接影响着设备的工作质量，随着技术的不断革新，电源技术发生了巨大变化。现在大致可以分为以下几类：（1）线性电源线性电源是先将交流电经过变压器降低电压幅值，再经过整流电路整流后，得到脉冲直流电，后经滤波得到带有微小波纹电压的直流电压。要达到高精度的直流电压，必须经过稳压电路进行稳压。（2）开关电源开关电源是利用现代电力电子技术，采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关晶体管开通和关断的时间比率（占空比），调整输出电压，维持输出稳定的一种电源。它可以就是一个对不同输入电压进行变换和调整，以适应不同的负载要求。其特点是电源工作在开/关状态，工作效率高，是一种比线性控制电源应用更广范的电源转换装置。2开关电源应用和分类2.1开关电源的应用开关电源的应用遍及各个行业和领域，例如：电子手表、MP3、MP4、手机、节能灯、LED灯、充电器、电源适配器、电脑、电视机、变频空调、UPS电源、电磁炉、电动摩托、电动汽车、动车组、逆变器、太阳能（风能）逆变站、高压直流电网等。2.2开关电源的分类根据用途来分，电源产品可分为5大系列：AA系列——交流稳压电源；AB系列——交流或电池输入，交流输出，又名UPS电源；AD系列——交流变直流(直流电源)；ADA系列——将交流先变成直流，再将直流变为交流(净化电源)；DD系列——直流变直流。而传统的电源技术仅仅局限开关电源文献综述-2-于AA系列和AD系列两个方面。3电源技术的发展及现存问题3.1电源技术的发展历程传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源。这种传统稳压电源技术比较成熟，并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点。但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有45%左右。另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，很难满足现代电子设备发展的要求。20世纪50年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。20世纪80年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。20世纪90年代，开关电源在电子、电器设备、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展期。3.2电源技术发展中的问题开关电源克服了传统串联型稳压电源的种种不足，功率管不是工作在放大状态，而是工作在开关状态，通过控制开关的占空比来调整输出电压，功率大、功耗小，而且对电网的要求大大降低，可允许电网在110V~260V范围内变化，而一般串联型稳压电源允许电网波动的范围为220V±10%，电能的利用率也从原来的45%提高到70%~95%；开关电源在输入抗干扰性能上，由于其自身电路结构的特点，一般的输入干扰如浪涌电压很难通过，在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具有较大的优势，其输出电压稳定度可达(0.5~1)%。开关电源功耗小，散热器也随之减小。开关型稳压电源直接对电网电压进行整流、滤波、调整，然后由开关调整管进行稳压，不需要电源变压器。此外，开关工作频率为几十千赫，滤波电容器、电感器数值较小。因此开关电源具有重量轻、体积小等优点。开关电源文献综述-3-传统串联型稳压电源的一个致命的弱点就是单一的电压输出，这如果突然断电，或者是电压出现短暂的下冲现象，会造成工作系统的重新启动，工作一时中断，原有的数据可能丢失，仅仅一瞬间可能会造成无法弥补的损失。开关电源可以实现双输入供电和不间断供电。与线性稳压电源相比，开关电源具有效率高、体积小和重量轻等突出优点；但存在电路复杂、纹波大、干扰大的缺点。开关电源和线性电源相比，两者的成本都随着输出功率的增加而增长，但两者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使的开关电源技术也不断的创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，从而为开关电源提供了广阔的发展空间。开关电源功率密度的提高是一个研究的重点。4当今电源技术的发展趋势开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面：（1）、小型化、薄型化、轻量化、高频化。开关电源的体积、重量主要是由储能元件(磁性元件和电容)决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积；在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。高频化带来的效益是使开关电源装置小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。（2）、高可靠性。开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高可靠性，从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度。这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。（3）、低噪声开关电源的缺点之一是噪声大。单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声，但部分谐振转换技术实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，使得多项技术得以实用化。所以，尽可能地降低噪声影开关电源文献综述-4-响是开关电源的又一发展方向。（4）、采用计算机辅助设计和控制。采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。电源的控制已经由模拟控制，模数混合控制，进入到全数字控制阶段。全数字控制是一个新的发展趋势，已经在许多功率变换设备中得到应用。但是过去数字控制在DC/DC变换器中用得较少。近两年来，电源的高性能全数字控制芯片已经开发，费用也已降到比较合理的水平，欧美已有多家公司开发并制造出开关变换器的数字控制芯片及软件。全数字控制的优点是：数字信号与混合模数信号相比可以标定更小的量，芯片价格也更低廉；对电流检测误差可以进行精确的数字校正，电压检测也更精确；可以实现快速，灵活的控制设计。另外模块化也是开关电源发展的总体趋势，可以用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N+1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。5电源技术的改进方法开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展戚戚相关的。高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改进磁元件的结构及设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等，对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各在开关电源制造商都致力同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（Mn-Zn）材料上加大科技创新，以在高频率和较大磁通密度（Bs）下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅降低了开关损耗，提高了开关电源的工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。使开关电源小型化的具体办法有：一是应用压电变压器。应用压电变压开关电源文献综述-5-器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和高功率密度。压电变压器利用压电陶瓷材料特有的电压-振动变换和振动-电压变换的性质传送能量，其等效电路如同一个串并联谐振电路，是功率变换领域的研究热点之一。二是高频化。为了实现电源高功率密度，必须提高PWM变换器的工作频率、从而减小电路中储能元件的体积重量。电源系统中应用大量磁元件，高频磁元件的材料、结构和性能都不同于工频磁元件，有许多问题需要研究。对高频磁元件所用磁性材料有如下要求：损耗小，散热性能好，磁性能优越。适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注，纳米结晶软磁材料也已开发应用。对于低电压、大电流输出的软开关变换器，进一步提高其效率的措施是设法降低开关的通态损耗。例如同步整流SR技术，即以功率MOS管反接作为整流用开关二极管，代替萧特基二极管(SBD)，可降低管压降，从而提高电路效率。总之，要想设计设计出更好的电源，我们需要及时了解新型元器件的发展动态，查阅最新文献研究降低开关损耗的新技术，在电源电路布局方面也要进行格局优化。我们要找到电源研究的创新点，通过深入的研究向尖端领域进发，理论用于实践。5总结电力电子技术的不断创新，开关电源产业有着广阔的发展前景。开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。要加快开关电源的发展速度就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。人们在开关电源技术领域里，边研究低损耗回路技术，边开发新型元器件，两者相互促进并推动着开关电源以每年超过两位数的市场增长率向小型、薄型、高频、低噪声以及高可靠性方向发展。开关电源文献综述-6-参考文献【1】现代电源技术王建辉【2】开关电源及其应用【3】现代开关电源控制电路设计及应用