開(kāi)關(guān)穩壓電源

1 開(kāi)關(guān)電源的三個(gè)重要發(fā)展階段
40多年來(lái)，開(kāi)關(guān)電源經(jīng)歷了三個(gè)重要發(fā)展階段。
第一個(gè)階段是功率半導體器件從雙極型器件(BPT、SCR、GT0)發(fā)展為MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等)，使電力電子系統有可能實(shí)現高頻化，并大幅度降低導通損耗，電路也更為簡(jiǎn)單。
第二個(gè)階段自20世紀80年代開(kāi)始，高頻化和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。高頻化和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是過(guò)去20年國際電力電子界研究的熱點(diǎn)之一。
第三個(gè)階段從20世紀90年代中期開(kāi)始，集成電力電子系統和集成電力電子模塊(IPEM)技術(shù)開(kāi)始發(fā)展，它是當今國際電力電子界亟待解決的新問(wèn)題之一。

2 開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的亮點(diǎn)
2.1 功率半導體器件性能
1998年，Infineon公司推出冷MOS管，它采用“超級結”(Super-Junction)結構，故又稱(chēng)超結功率MOSFET。工作電壓600~800V，通態(tài)電阻幾乎降低了一個(gè)數量級，仍保持開(kāi)關(guān)速度快的特點(diǎn)，是一種有發(fā)展前途的高頻功率半導體器件。
IGBT剛出現時(shí)，電壓、電流額定值只有600V、25A。很長(cháng)一段時(shí)間內，耐壓水平限于1200~1700V，經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的探索研究和改進(jìn)，現在IGBT的電壓、電流額定值已分別達到3300V／1200A和4500V／1800A，高壓IGBT單片耐壓已達到6500V，一般IGBT的工作頻率上限為20~40kHz，基于穿通(PT)型結構應用新技術(shù)制造的IGBT，可工作于150kHz(硬開(kāi)關(guān))和300kHz(軟開(kāi)關(guān))。
IGBT的技術(shù)進(jìn)展實(shí)際上是通態(tài)壓降，快速開(kāi)關(guān)和高耐壓能力三者的折中。隨著(zhù)工藝和結構形式的不同，IGBT在20年的發(fā)展進(jìn)程中，有以下幾種類(lèi)型：穿通(PT)型、非穿通(NPT)型、軟穿通(SPT)型、溝漕型和電場(chǎng)截止(FS)型。
碳化硅(SiC)是功率半導體器件晶片的理想材料，其優(yōu)點(diǎn)是禁帶寬、工作溫度高(可達600℃)、熱穩定性好、通態(tài)電阻小、導熱性能好、漏電流極小、PN結耐壓高等，有利于制造出耐高溫的高頻大功率半導體器件。
可以預見(jiàn)，碳化硅將是21世紀最可能成功應用的新型功率半導體器件材料。
2.2 開(kāi)關(guān)電源功率密度
提高開(kāi)關(guān)電源的功率密度，使之小型化、輕量化，是人們不斷追求的目標。這對便攜式電子設備(如移動(dòng)電話(huà)，數字相機等)尤為重要。使開(kāi)關(guān)電源小型化的具體辦法有以下幾種。
一是高頻化。為了實(shí)現電源高功率密度，必須提高PWM變換器的工作頻率、從而減小電路中儲能元件的體積重量。
二是應用壓電變壓器。應用壓電變壓器可使高頻功率變換器實(shí)現輕、小、薄和高功率密度。壓電變壓器利用壓電陶瓷材料特有的“電壓-振動(dòng)”變換和“振動(dòng)-電壓”變換的性質(zhì)傳送能量，其等效電路如同一個(gè)串并聯(lián)諧振電路，是功率變換領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
三是采用新型電容器。為了減小電力電子設備的體積和重量，須設法改進(jìn)電容器的性能，提高能量密度，并研究開(kāi)發(fā)適合于電力電子及電源系統用的新型電容器，要求電容量大、等效串聯(lián)電阻(ESR)小、體積小等。
2.3 高頻磁性元件
電源系統中應用大量磁元件，高頻磁元件的材料、結構和性能都不同于工頻磁元件，有許多問(wèn)題需要研究。對高頻磁元件所用的磁性材料，要求其損耗小、散熱性能好、磁性能優(yōu)越。適用于兆赫級頻率的磁性材料為人們所關(guān)注，納米結晶軟磁材料也已開(kāi)發(fā)應用。
2.4 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)
高頻化以后，為了提高開(kāi)關(guān)電源的效率，必須開(kāi)發(fā)和應用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。它是過(guò)去幾十年國際電源界的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
PWM開(kāi)關(guān)電源按硬開(kāi)關(guān)模式工作(開(kāi)／關(guān)過(guò)程中電壓下降／上升和電流上升／下降波形有交疊)，因而開(kāi)關(guān)損耗大。高頻化雖可以縮小體積重量，但開(kāi)關(guān)損耗卻更大了。為此，必須研究開(kāi)關(guān)電壓／電流波形不交疊的技術(shù)，即所謂零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)／零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)技術(shù)，或稱(chēng)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，小功率軟開(kāi)關(guān)電源效率可提高到800%~85%。上世紀70年代諧振開(kāi)關(guān)電源奠定了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的基礎。隨后新的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)不斷涌現，如準諧振(上世紀80年代中)全橋移相ZVS-PWM，恒頻ZVS-PWM／ZCS-PWM(上世紀80年代末)ZVS-PWM有源嵌位；ZVT-PWM／ZCT-PWM(上世紀90年代初)全橋移相ZV-ZCS-PWM(上世紀90年代中)等。我國已將最新軟開(kāi)關(guān)技術(shù)應用于6kW通信電源中，效率達93％。
2.5 同步整流技術(shù)
對于低電壓、大電流出的軟開(kāi)關(guān)變換器，進(jìn)一步提高其效率的措施是設法降低開(kāi)關(guān)的通態(tài)損耗。例如同步整流(SR)技術(shù)，即以功率MOS管反接作為整流用開(kāi)關(guān)二極管，代替蕭特基二極管(SBD)，可降低管壓降，從而提高電路效率。
2.6 功率因數校正(PFC)變換器
由于A(yíng)C／DC變換電路的輸入端有整流器件和濾波電容，在正弦電壓輸入時(shí)，單相整流電源供電的電子設備，電網(wǎng)側(交流輸入端)功率因數僅為0.6-0.65。采用功率因數校正(PFC)變換器，網(wǎng)側功率因數可提高到0.95~0.99，輸入電流THD10％。既治理了對電網(wǎng)的諧波污染，又提高了電源的整體效率。這一技術(shù)稱(chēng)為有源功率因數校正(APFC)，單相APFC國內外開(kāi)發(fā)較早，技術(shù)已較成熟；三相APFC的拓撲類(lèi)型和控制策略雖然已經(jīng)有很多種，但還有待繼續研究發(fā)展。
一般高功率因數AC／DC開(kāi)關(guān)電源，由兩級拓撲組成，對于小功率AC／DC開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，采用兩級拓撲結構總體效率低、成本高。如果對輸入端功率因數要求不特別高時(shí)，將PFC變換器和后級DC／DC變換器組合成一個(gè)拓撲，構成單級高功率因數AC／DC開(kāi)關(guān)電源，只用一個(gè)主開(kāi)關(guān)管，可使功率因數校正到0.8以上，并使輸出直流電壓可調，這種拓撲結構稱(chēng)為單管單級PFC變換器。
2.7 全數字化控制
電源的控制已經(jīng)由模擬控制，模數混合控制，進(jìn)入到全數字控制階段。全數字控制是發(fā)展趨勢，已經(jīng)在許多功率變換設備中得到應用。

全數字控制的優(yōu)點(diǎn)是數字信號與混合模數信號相比可以標定更小的量，芯片價(jià)格也更低廉；對電流檢測誤差可以進(jìn)行精確的數字校正，電壓檢測也更精確；可以實(shí)現快速，靈活的控制設計。
近兩年來(lái)，高性能全數字控制芯片已經(jīng)開(kāi)發(fā)，費用也已降到比較合理的水平，歐美已有多家公司開(kāi)發(fā)并制造出開(kāi)關(guān)變換器的數字控制芯片及軟件。
2.8 電磁兼容性
高頻開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容(EMC)問(wèn)題有其特殊性。功率半導體器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中所產(chǎn)生的di／dt和dv／dt，將引起強大的傳導電磁干擾和諧波干擾，以及強電磁場(chǎng)(通常是近場(chǎng))輻射。不但嚴重污染周?chē)姶怒h(huán)境，對附近的電氣設備造成電磁干擾，還可能危及附近操作人員的安全。同時(shí)，電力電子電路(如開(kāi)關(guān)變換器)內部的控制電路也必須能承受開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的EMI及應用現場(chǎng)電磁噪聲的干擾。上述特殊性，再加上EMI測量上的具體困難，在電力電子的電磁兼容領(lǐng)域里，存在著(zhù)許多交叉學(xué)科的前沿課題有待人們研究。國內外許多大學(xué)均開(kāi)展了電力電子電路的電磁干擾和電磁兼容性問(wèn)題的研究，并取得了不少可喜成果。
2.9 設計和測試技術(shù)
建模、仿真和CAD是一種新的設計研究工具。為了仿真電源系統，首先要建立仿真模型，包括電力電子器件、變換器電路、數字和模擬控制電路以及磁元件和磁場(chǎng)分布模型等，還要考慮開(kāi)關(guān)管的熱模型、可靠性模型和EMC模型。各種模型差別很大，建模的發(fā)展方向是數字一模擬混合建模、混合層次建模以及將各種模型組成一個(gè)統一的多層次模型等。
電源系統的CAD，包括主電路和控制電路設計、器件選擇、參數最優(yōu)化、磁設計、熱設計、EMI設計和印制電路板設計、可靠性預估、計算機輔助綜合和優(yōu)化設計等。用基于仿真的專(zhuān)家系統進(jìn)行電源系統的CAD，可使所設計的系統性能最優(yōu)，減少設計制造費用，并能做可制造性分析，是21世紀仿真和CAD技術(shù)的發(fā)展方向之一。此外，電源系統的熱測試、EMI測試、可靠性測試等技術(shù)的開(kāi)發(fā)、研究與應用也是應大力發(fā)展的。
2.10 系統集成技術(shù)
電源設備的制造特點(diǎn)是非標準件多、勞動(dòng)強度大、設計周期長(cháng)、成本高、可靠性低等，而用戶(hù)要求制造廠(chǎng)生產(chǎn)的電源產(chǎn)品更加實(shí)用、可靠性更高、更輕小、成本更低。這些情況使電源制造廠(chǎng)家承受巨大壓力，迫切需要開(kāi)展集成電源模塊的研究開(kāi)發(fā)，使電源產(chǎn)品的標準化、模塊化、可制造性、規模生產(chǎn)、降低成本等目標得以實(shí)現。
實(shí)際上，在電源集成技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，已經(jīng)經(jīng)歷了電力半導體器件模塊化，功率與控制電路的集成化，集成無(wú)源元件(包括磁集成技術(shù))等發(fā)展階段。近年來(lái)的發(fā)展方向是將小功率電源系統集成在一個(gè)芯片上，可以使電源產(chǎn)品更為緊湊，體積更小，也減小了引線(xiàn)長(cháng)度，從而減小了寄生參數。在此基礎上，可以實(shí)現一體化，所有元器件連同控制保護集成在一個(gè)模塊中。
上世紀90年代，隨著(zhù)大規模分布電源系統的發(fā)展，一體化的設計觀(guān)念被推廣到更大容量、更高電壓的電源系統集成，提高了集成度，出現了集成電力電子模塊(IPEM)。IPEM將功率器件與電路、控制以及檢測、執行等單元集成封裝，得到標準的，可制造的模塊，既可用于標準設計，也可用于專(zhuān)用、特殊設計。優(yōu)點(diǎn)是可快速高效為用戶(hù)提供產(chǎn)品，顯著(zhù)降低成本，提高可靠性。

3 結語(yǔ)
以上簡(jiǎn)要回顧了開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的歷程和技術(shù)亮點(diǎn)，相信未來(lái)開(kāi)關(guān)電源的理論與技術(shù)發(fā)展將會(huì )有更輝煌的成就。