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，整機效率高等特點，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，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)動邏輯，達到預(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)計讓開關(guān)電源使用方便靈活，最大的改進是徹底沒有了連線，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為整流二極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ǎ儔浩鬏斎攵说墓β实玫教岣咔逸斎腚娏鞯闹C波也減少了，但在整流電路的輸出不再是一個平滑的直流輸入電壓，而是脈動波。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電路，通過輸入電流跟蹤輸入電壓。為了達到此目的，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，其缺點是電流諧波大，對阻抗性負載要求很高。無源PFC是以熒光燈電子整流器為基礎(chǔ)，其特點是濾波電容為兩個串聯(lián)的電容，并與二極管相互合作，使得整流二極管的導(dǎo)通角擴大，從而提高了輸入側(cè)的功率因數(shù)。其缺點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，讓輸入電流跟蹤參考信號，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行比對，然后用輸出電流誤差控制開關(guān)動作。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出現(xiàn)波形重疊，增加了開關(guān)的消耗，并且這個損耗與開關(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

隨著社會的進步和科學(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)電源之所以會成為電網(wǎng)的污染源，是因為其輸入側(cè)出現(xiàn)了尖峰脈沖波形。國際電工委員會（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。增加一個有源功率因數(shù)校正是最有效的方法，其功率因數(shù)可達到1。

2.4 具有過壓過流保護功能

在電源中配備有十分可靠的過電壓、過電流保護電路，當(dāng)出現(xiàn)過壓、過載、短路情況時切斷電源，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 擴大輸出電壓范圍

AC／DC開關(guān)用于工作站和個人計算機增加了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，壓降會保持在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。為了進一步提高開關(guān)電源的各項性能，以下5點需關(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［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.迎接知識經(jīng)濟時代發(fā)展電源技術(shù)［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2012年合訂本：7－10.