开关电源研究背景历史与现状

开关电源研究背景历史与现状1研究背景2开关电源发展历史及现状1研究背景21世纪是信息化的时代，信息化的快速发展使得人们对于电子设备、产品的依赖性越来越大，而这些电子设备、产品都离不开电源。开关电源相对于线性电源具有效率、体积、重量等方面的优势，尤其是高频开关电源正变得更轻，更小，效率更高，也更可靠，这使得高频开关电源成为了应用最广泛的电源。从开关电源的组成来看，它主要由两部分组成：功率级和控制级。功率级的主要任务是根据不同的应用场合及要求，选择不同的拓扑结构，同时兼顾半导体元件考虑设计成本；控制级的主要任务则是根据电路电信号选择合适的控制方式，目前的开关电源以PWM控制方式居多。2开关电源发展历史及现状开关电源最早起源于上世纪50年代初，美国宇航局以小型化、轻量化、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、电气设备、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展时期。历经几十年的不断发展，现代开关电源技术有了重大的进步和突破。新型功率器件的开发促进了开关电源的高频化，功率MOSFET和IGBT可使中小型开关电源的工作频率达到400kHz（AC/DC）或1MHz（DC/DC）；软开关技术使高频开关电源的实现有了可能，它不仅可以减小电源的体积和重量，而且提高了电源的效率；控制技术的发展和专用控制芯片的生产，不仅使电源电路大幅度简化，而且使开关电源的动态性能和可靠性大大提高；有源功率因数校正（APFC）技术的开发，提高了AC/DC开关电源的功率因数，既治理了电网的谐波污染，又提高了开关电源的整体效率。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等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。市场上DC-DC开关电源中，用MOSFET制成的300-500kHz电源，早已实用化，但其频率有待进一步提高。开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益是使开关电源装置空前地小型化，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，另外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。开关电源向集成化方向发展是未来的主要趋势，功率密度将越来越大，对工艺的要求也会越来越高。在半导体器件和磁性材料没有新的突破之前，重大的技术进步可能很难实现，技术创新的重点将集中在如何提高开关电源的效率和减小重量。因此，工艺水平将会在电源制造中占的地位越来越高。21世纪，市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十千赫；采用MOSFET的开关电源转化频率可达几百千赫。为提高开关频率，必须采用高速开关器件。对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，理论上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式，目前这种谐振开关方式已经实用化。21世纪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】：○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，实质上就是尽可能地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、电感及电压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能，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，因此提高了可靠性。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，所以，尽可能地降低噪声影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，可以实时监测、记录并自动报警等。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休戚相关的。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点此元件。发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁材料，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。总之，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增长率向小型、薄型、高频、低噪声以及高可靠性方向发展。