DC/DC變換器的發(fā)展與應用

1引言

直流-直流變換器(DC/DC)變換器廣泛應用于遠程及數據通訊、計算機、辦公自動(dòng)化設備、工業(yè)儀器儀表、軍事、航天等領(lǐng)域，涉及到國民經(jīng)濟的各行各業(yè)。按額定功率的大小來(lái)劃分，DC/DC可分為750W以上、750W～1W和1W以下3大類(lèi)。進(jìn)入20世紀90年代，DC/DC變換器在低功率范圍內的增長(cháng)率大幅度提高，其中6W～25WDC/DC變換器的增長(cháng)率最高，這是因為它們大量用于直流測量和測試設備、計算機顯示系統、計算機和軍事通訊系統。由于微處理器的高速化，DC/DC變換器由低功率向中功率方向發(fā)展是必然的趨勢，所以251W～750W的DC/DC變換器的增長(cháng)率也是較快的，這主要是它用于服務(wù)性的醫療和實(shí)驗設備、工業(yè)控制設備、遠程通訊設備、多路通信及發(fā)送設備，DC/DC變換器在遠程和數字通訊領(lǐng)

域有著(zhù)廣闊的應用前景。

DC/DC變換器將一個(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被廣泛應用于無(wú)軌電車(chē)、地鐵、列車(chē)、電動(dòng)車(chē)的無(wú)級變速和控制，同時(shí)使上述控制具有加速平穩、快速響應的性能,并同時(shí)收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約20%～30%的電能。直流斬波器不僅能起到調壓的作用(開(kāi)關(guān)電源),同時(shí)還能起到有效抑制電網(wǎng)側諧波電流噪聲的作用。

DC/DC變換器現已商品化,模塊采用高頻PWM技術(shù),開(kāi)關(guān)頻率在500kHz左右,功率密度為0.31W/cm3～1.22W/cm3。隨著(zhù)大規模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實(shí)現小型化,因此就要不斷提高開(kāi)關(guān)頻率和采用新的電路拓撲結構。目前，已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開(kāi)關(guān)和零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。

電子產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展極大地推動(dòng)了開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展。高頻小型化的開(kāi)關(guān)電源及其技術(shù)已成為現代電子設備供電系統的主流。在電子設備領(lǐng)域中,通常將整流器稱(chēng)為一次電源,而將DC/DC變換器稱(chēng)為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標稱(chēng)值為48V的直流電源。目前，在電子設備中用的一次電源中,傳統的相控式穩壓電源己被高頻開(kāi)關(guān)電源取代,高頻開(kāi)關(guān)電源(也稱(chēng)為開(kāi)關(guān)型整流器SMR)通過(guò)MOSFET或IGBT實(shí)現高頻工作,開(kāi)關(guān)頻率一般控制在50kHz～100kHz范圍內,實(shí)現高效率和小型化。近幾年,開(kāi)關(guān)整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。

因為電子設備中所用的集成電路的種類(lèi)繁多,其電源電壓也各不相同,在電子供電系統中，采用高功率密度的高頻DC/DC隔離電源模塊,從中間母線(xiàn)電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,可以大大減小損耗、方便維護,且安裝和增容非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因為電子設備容量的不斷增加,其電源容量也將不斷增加。

2電力電子器件

功率變換技術(shù)高速發(fā)展的基礎是電力電子器件和控制技術(shù)的高速發(fā)展，在21世紀，電力電子器件將進(jìn)入第4代即智能化時(shí)代，具有如下顯著(zhù)的特征。

2.1高性能化

高性能化主要包括高電壓、大容量、降低導通電壓低損耗、高速度和高可靠性等4個(gè)方面。如IGBT的電流可達2kA～3kA、電壓達到4kV～6kV，降低損耗是所有復合器件的發(fā)展目標。預計在21世紀IGBT、智能化功率模塊(IPM)等器件的導通電壓可降到1V以下，而MOSFET、IBGT、MCT等器件的應用頻率將達到兆赫數量級。

2.2智能化和集成化

智能化的發(fā)展是系統智能集成(ASIPM)，即將電源電路、各種保護以及PWM控制電路等都集成在一個(gè)芯片上，制成一個(gè)完整的功率變換器IC。集成電力電子模塊(IPEM)是將驅動(dòng)、自動(dòng)保護、自診斷功能的IC與電力電子器件集成在一個(gè)模塊中。由于不同的元器件、電路、集成電路的封裝或相互連接產(chǎn)生的寄生參數已成為決定電力電子系統性能的關(guān)鍵，所以采用IPEM方法可減少設計工作量，便于生產(chǎn)自動(dòng)化，提高系統質(zhì)量、可靠性和可維護性，縮短設計周期，降低產(chǎn)品成本。

IPEM與IPM或PIC的不同之處在于后者是單層單片集成，一維封裝;而前者是高電壓、大電流、多層多片集成，三維封裝，結構更復雜，多方向散熱，其熱設計也更加重要。IPEM研究課題中有待解決的基本問(wèn)題是結構的確定和通用性，新型電力電子器件評估的主要方面是開(kāi)關(guān)單元、拓撲結構、高電壓大電流功率器件的單片集成。大功率無(wú)源器件集成、IPEM三維封裝(控制寄生參數，將寄生影響控制在最小范圍)、熱管理、IPEM設計軟件、接口與系統的兼容性、IPEM性能預測、可靠性冗余和容錯等都需要跨學(xué)科研究。因為與現代電力電子學(xué)相關(guān)的學(xué)科十分廣泛，包括基礎理論學(xué)科，如固體物理、電磁學(xué)、電路理論;專(zhuān)業(yè)理論學(xué)科如電力系統、電子學(xué)、系統與控制、電機學(xué)及電氣傳動(dòng)、通信理論、信號處理、微電子技術(shù);及電磁測量、計算機仿真、CAD等，覆蓋了材料、器件、電路與控制、磁學(xué)、熱設計、封裝、CAD集成、制造、電力電工應用等專(zhuān)業(yè)技術(shù)。就目前我國電力電子技術(shù)發(fā)展的現狀而言，迫切需要跨學(xué)科并運用多種專(zhuān)業(yè)技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合研究，以適應當今國際電力電子科技前沿技術(shù)的發(fā)展。

2.3模塊化

模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指單元的模塊化。常見(jiàn)的功率器件模塊含有1單元、2單元、6單元直至7單元,包括開(kāi)關(guān)器件和與之串并聯(lián)的續流二極管,實(shí)質(zhì)上都屬于標準功率模塊(SPM)。近年來(lái),有些公司把開(kāi)關(guān)器件的驅動(dòng)保護電路也裝到功率模塊中構成IPM,不但縮小了整機的體積,而且更加方便了整機的設計與制造。實(shí)際上,由于頻率不斷提高,致使引線(xiàn)寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現為過(guò)電壓、過(guò)電流毛刺)。為了提高系統的可靠性,有些制造商開(kāi)發(fā)了“用戶(hù)專(zhuān)用”功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個(gè)模塊中,使元器件之間不再有傳統的引線(xiàn)連接,這樣的模塊經(jīng)過(guò)嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,產(chǎn)品性能優(yōu)良。它類(lèi)似于微電子電路中的用戶(hù)專(zhuān)用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫(xiě)入該模塊中的微處理器芯片,再把整個(gè)模塊固定在相應的散熱器上,就構成一臺新型的開(kāi)關(guān)電源裝置。由此可見(jiàn),模塊化的目的不僅在于使用方便,可縮小整機體積,更重要的是取消了傳統連線(xiàn),把寄生參數值降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高了系統的可靠性。另外,大功率的開(kāi)關(guān)電源,由于器件容量的限制和冗余度的增加，從提高可靠性方面考慮,一般采用多個(gè)獨立的模塊單元并聯(lián)工作,采用均流技術(shù),所有模塊共同分擔負載電流,一旦其中某個(gè)模塊失效,其它模塊再平均分擔負載電流。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量情況下可滿(mǎn)足大電流輸出的要求,而且通過(guò)增加相對于整個(gè)系統來(lái)說(shuō)功率很小的冗余電源模塊,極大地提高了系統的可靠性,即使萬(wàn)一出現單個(gè)模塊故障,也不會(huì )影響系統的正常工作,而且可提供充分的時(shí)間進(jìn)行修復。

3新的DC/DC變換器技術(shù)

3.1VRM技術(shù)

就DC/DC變換器而言，由于現代微處理器和一些超高速大規模集成電路芯片，如Intel、Pentium、Pro等，要求在低電壓(2.4V～3.3V)、大電流(>13A)狀態(tài)下工作，而其直流母線(xiàn)電壓通常為5V～12V。這樣，就需要將直流母線(xiàn)電壓通過(guò)DC/DC變換器進(jìn)行變換，通常用VRM來(lái)實(shí)現。顯然，隨著(zhù)芯片集成密度、工作速度的進(jìn)一步提高，芯片的工作電壓將進(jìn)一步下降，工作電流進(jìn)一步增大。人們對VRM提出了新的挑戰，要求VRM具有非?？焖俚呢撦d電流響應，在保證足夠小的體積的同時(shí)，還要具有高效率。要使VRM具有快速的負載電流動(dòng)態(tài)響應，傳統的解決辦法是在VRM的輸出端并聯(lián)很多容量很大、等效串聯(lián)電阻很小的退耦電容器。顯然，該方法存在如下問(wèn)題：

1)退耦電容器體

積很大，而現代微處理器對VRM的體積有著(zhù)嚴格的要求。

2)退耦電容器僅能改善動(dòng)態(tài)響應的影響階段，對后階段及總的動(dòng)態(tài)響應時(shí)間沒(méi)有作用。