開關(guān)電源的新技術(shù)與發(fā)展前景

陳天樂

（海軍駐南京九二四廠軍事代表室，江蘇 南京211100）

開關(guān)電源具有重量輕、體積小、能耗低，整機(jī)效率高等特點(diǎn)，因此得到了廣泛應(yīng)用。文中論述了開關(guān)電源的新技術(shù)及其發(fā)展前景。

1 開關(guān)電源的新技術(shù)

1.1 高頻化

隨著微處理器尺寸越來越小，電源的尺寸已不能滿足其需求，迫切需要電源的結(jié)構(gòu)緊湊，重量更輕。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，開關(guān)電源工作頻率的提高是關(guān)鍵。根據(jù)理論與實(shí)踐得知電氣產(chǎn)品的體積、重量與頻率的增加成反比。頻率從50 Hz升高到幾百或幾千Hz時(shí)，電器設(shè)備的尺寸和重量可明顯變小。但是頻率越高，電磁兼容性（EMC）問題越突出；PCB板的結(jié)構(gòu)變得相當(dāng)復(fù)雜，功率器件、導(dǎo)線的參數(shù)等對系統(tǒng)會(huì)有較大影響，所以頻率不能無限高。

1.2 集成化和模塊化

集成化指在一塊芯片上使用多層厚膜襯底技術(shù)安裝元件和驅(qū)動(dòng)邏輯，達(dá)到預(yù)期的效果。模塊化是器件和單元電路的模塊化。由于開關(guān)電源頻率提高了，使得引線的寄生電感、寄生電容也增加，導(dǎo)致器件承受的應(yīng)力也大大提高。模塊化設(shè)計(jì)讓開關(guān)電源使用方便靈活，最大的改進(jìn)是徹底沒有了連線，得以減少寄生效應(yīng)，使器件承受的應(yīng)力降至最低，開關(guān)電源的可靠性得到了提高。

1.3 功率因數(shù)校正技術(shù)

使用電容進(jìn)行濾波可以在AC／DC轉(zhuǎn)換器電路輸出端獲得相對平滑的直流輸出電壓。輸入電流的畸形是因?yàn)檎鞫O管的非線性和電容的共同作用造成的。如果刪除了濾波電容器，電流的輸出變?yōu)榻频恼也?，變壓器輸入端的功率得到提高且輸入電流的諧波也減少了，但在整流電路的輸出不再是一個(gè)平滑的直流輸入電壓，而是脈動(dòng)波。為了使輸出電壓是平滑的直流輸出，且輸入的電流為正弦波，那么就需要功率因數(shù)校正（PFC）電路，即在整流電路和濾波電容之間加一個(gè)電路，通過輸入電流跟蹤輸入電壓。為了達(dá)到此目的，既可使用無源電路（不可控開關(guān)），也可以用有源電路（可控開關(guān)）。

無源濾波器電路技術(shù)是將電感串聯(lián)在橋式整流器和電容器之間，從而使得二極管的導(dǎo)通時(shí)間增加，將輸入電流的幅值降低，或者把諧振濾波器接在交流側(cè)，其作用是消除3次諧波。無源方式雖簡單，其缺點(diǎn)是電流諧波大，對阻抗性負(fù)載要求很高。無源PFC是以熒光燈電子整流器為基礎(chǔ)，其特點(diǎn)是濾波電容為兩個(gè)串聯(lián)的電容，并與二極管相互合作，使得整流二極管的導(dǎo)通角擴(kuò)大，從而提高了輸入側(cè)的功率因數(shù)。其缺點(diǎn)是直流母線電壓約為最大輸入電壓的二分之一。

有源功率因數(shù)校正技術(shù)是基于輸入電壓作為參考信號(hào)，讓輸入電流跟蹤參考信號(hào)，以得到輸入電流的低頻分量和輸入電壓相同的頻率和波形，從而使諧波得到抑制。其有直接和間接電流控制法。直接電流控制用輸入電流與參考電流進(jìn)行比對，然后用輸出電流誤差控制開關(guān)動(dòng)作。直接電流控制可分為：峰值電流控制、滯環(huán)控制和平均電流控制。峰值電流控制的缺點(diǎn)是峰值電流引起的次諧波振蕩使得功率因數(shù)校正變得困難，所以較少使用。滯環(huán)控制是一種變頻控制，可以達(dá)到平均電流為純正弦。平均電流控制操作簡單，控制效果良好，是目前使用廣泛的控制方式。間接電流控制是對輸入電感端電壓的幅值和相位進(jìn)行控制，使得電感器電流和輸入電壓同相，此方法操作簡單。

目前，單相功率因數(shù)校正技術(shù)是較成熟的，功率因數(shù)能達(dá)到0.998。

1.4 軟開關(guān)技術(shù)

PWM開關(guān)電源在硬切換方式下工作，切換過程中電壓和電流會(huì)出現(xiàn)波形重疊，增加了開關(guān)的消耗，并且這個(gè)損耗與開關(guān)頻率的增加成正比。因此須研究開關(guān)電壓／電流波形不重合的辦法，即所謂的零電壓（ZVS）開關(guān)技術(shù)，也被稱為軟開關(guān)技術(shù)（相對于硬開關(guān)PWM技術(shù)而言）。新的軟開關(guān)技術(shù)是基于20世紀(jì)70年代諧振軟開關(guān)技術(shù)研發(fā)而來，現(xiàn)在已有很多，如準(zhǔn)諧振，全橋移相ZVS－PWM。軟交換的發(fā)展和應(yīng)用使得開關(guān)電源效率大大提升。

2 發(fā)展趨勢

隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源產(chǎn)品的規(guī)格和種類日益繁多，新技術(shù)也不斷出現(xiàn)。

2.1 綠色化

綠色化就是沒有污染。由于分布式體系結(jié)構(gòu)的使用越來越多，開關(guān)電源逐步向高頻化和高功率密度化發(fā)展。開關(guān)電源之所以會(huì)成為電網(wǎng)的污染源，是因?yàn)槠漭斎雮?cè)出現(xiàn)了尖峰脈沖波形。國際電工委員會(huì)（IEC）制定了很多標(biāo)準(zhǔn)來防止電器對電力電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染，通常是將一級有源功率因數(shù)校正器PFC安裝在轉(zhuǎn)換器上，從而使功率因數(shù)提高到1。這不僅控制了諧波電網(wǎng)“污染”，而且由于 MOSFET、IGBT和軟開關(guān)普遍應(yīng)用于電力電子電路，從而增加了功率轉(zhuǎn)換器的頻率，結(jié)構(gòu)更緊湊。隨之出現(xiàn)了許多新問題，如由寄生元件的影響導(dǎo)致了電磁輻射加劇等。因此，產(chǎn)品需滿足EMC要求。

2.2 抗電磁干擾

分布式體系結(jié)構(gòu)、開關(guān)電源體積更小、開關(guān)頻率高以及功率密度大等要求都與抑制電磁干擾和降低噪聲產(chǎn)生矛盾。開關(guān)電源會(huì)成為射頻干擾（RFI）的產(chǎn)生源，原因在于變換器的特定工作波形。開關(guān)器件、主回路整流器、輸出二極管以及控制電路本身都是噪聲的發(fā)源地。在主回路中射頻干擾噪聲的等級主要取決于變換器使用何種電路。

2.3 高功率因數(shù)

AC／DC開關(guān)電源的整流、電容濾波電路在輸入一側(cè)，這會(huì)產(chǎn)生尖脈沖狀的輸入電流波形，功率因數(shù)僅為0.65，從而也降低了整體的效率。增加一個(gè)有源功率因數(shù)校正是最有效的方法，其功率因數(shù)可達(dá)到1。

2.4 具有過壓過流保護(hù)功能

在電源中配備有十分可靠的過電壓、過電流保護(hù)電路，當(dāng)出現(xiàn)過壓、過載、短路情況時(shí)切斷電源，增加了開關(guān)電源的可靠性和穩(wěn)定性。

2.5 寬輸入電壓范圍

為適應(yīng)世界各國的電網(wǎng)電壓規(guī)格，就要求AC／DC開關(guān)電源的輸入電壓范圍要寬，如AC80～264 V，且DC／AC開關(guān)電源可以使用電池作后備電源。

2.6 擴(kuò)大輸出電壓范圍

AC／DC開關(guān)用于工作站和個(gè)人計(jì)算機(jī)增加了3.3 V輸出電壓的供電需求，有的開關(guān)電源輸出電壓低至1.8 V，就要求整流二極管要有良好的性能。使用同步整流技術(shù)，利用MOSFET的開關(guān)和傳導(dǎo)特性可以使整流電路的損耗降低。很多公司都已經(jīng)研發(fā)出10 mΩ以下的導(dǎo)通電阻的MOSFET產(chǎn)品。其顯著的性能是輸出電流為10 A時(shí)，壓降會(huì)保持在0.1，損耗更低。

3 結(jié)束語

電源的穩(wěn)定性和可靠性決定了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。功率、電壓、頻率、噪聲及帶載時(shí)參數(shù)的變化是體現(xiàn)電源性能的特性參數(shù)，在同一參數(shù)下可以對體積、重量、形狀、效率、可靠性等有不同的要求。為了進(jìn)一步提高開關(guān)電源的各項(xiàng)性能，以下5點(diǎn)需關(guān)注：能否全面貫徹電磁兼容性？電氣額定值是否可以提高（如功率因數(shù)）或降低（如輸出電壓）？電源容量是否能更大？體積是否可以更小，且能隨意變化以滿足各種要求？能否對其進(jìn)行定式量產(chǎn)化？

［1］張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［2］葉慧貞，楊興洲.新穎開關(guān)穩(wěn)壓電源［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2010.

［3］李 靖.中國開關(guān)電源市場及產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析［J］.中國電源博覽，2010，（1）：1－3.

［4］盧衛(wèi)國，劉選忠.未來電源發(fā)展的趨勢及成功之路［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2012，（12）：58－60.

［5］季幼章.迎接知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代發(fā)展電源技術(shù)［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2012年合訂本：7－10.