DC/DC變換器的發(fā)展與應(yīng)用

一種交錯疊加型準(zhǔn)方波抵消紋波的變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是其最新的解決方案，如圖1所示，該結(jié)構(gòu)在保證要求輸出紋波的前提下，不但可以大大減少輸出濾波電容器的容量，而且能大大減少VRM輸出濾波電感的電感量。除此以外，為了提高VRM的動態(tài)響應(yīng)，還必須力求減小供電母線的引線電感，其最有效的解決方案是將VRM作成“裝在印刷板上”的直流分布式電源形式，直接裝在負(fù)載附近。另一方面，還要求VRM本身具有十分小的引線電感，為了保證VRM具有足夠的效率，必須采用同步整流器和漏感很小的超薄型變壓器。

3.2軟開關(guān)技術(shù)

為了縮小DC/DC變換器的體積，提高功率密度，改善動態(tài)響應(yīng)，高頻化是DC/DC變換器技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。但高頻化又會產(chǎn)生新的問題，如開關(guān)損耗及無源元件的損耗增大，高頻寄生參數(shù)及高頻EMI問題等。應(yīng)用各種軟開關(guān)技術(shù)(包括無源無損軟開關(guān)技術(shù)，有源軟開關(guān)技術(shù))可以減少開關(guān)損耗，提高效率。

1994年2月，IEEE電力電子學(xué)會組織“功率變換技術(shù)2000年展望專題研討會”，就DC/DC及AC/DC功率變換器的發(fā)展趨勢與需求進(jìn)行探討，指出高功率密度DC/DCZVS開關(guān)變換器與器件性能、無源元件、封裝技術(shù)等有很大關(guān)系。與1994年對比，2000年，在保證可靠性增加一倍的基礎(chǔ)上，這種變換器功率密度提高一倍，成本降低一半。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代，各種軟開關(guān)技術(shù)，如ZVS/ZCS—PWM、ZVT/ZCT—PWM、移相全橋ZVS—PWM、有源箝位ZVS—PWM等的開發(fā)和應(yīng)用都有較大的發(fā)展。美國Vicor公司生產(chǎn)的48V/600WDC/DC開關(guān)變換器模塊，由于采用高頻軟開關(guān)技術(shù)，功率密度達(dá)到7.32W/cm3,效率為90%，而3MHz、低電壓(1V)輸出的便攜式DC/DC變換器也正在研究開發(fā)中。

3.3高頻磁技術(shù)

隨著電力電子電路與系統(tǒng)的高頻化，在低頻下可以忽略的某些寄生參數(shù)，在高頻下將對某些電路性能(開關(guān)尖峰能量、噪聲水平等)產(chǎn)生重大影響，尤其是磁元件的渦流、漏電感、繞組交流電阻(Rac)和分布電容等在低頻和高頻下的表現(xiàn)有很大不同。

20世紀(jì)90年代高頻磁技術(shù)研究的另一項(xiàng)成果是適用于薄型高頻開關(guān)變換器的薄型平面變壓器，其厚度小于1cm，呈扁平狀。繞組采用銅箔或板型印刷電路，省去繞組骨架，有利于散熱，漏感小，集膚效應(yīng)損耗小。2000年，磁性材料研究的主要方向是：(1)高溫超導(dǎo);(2)將鐵氧體或其它薄膜材料高密度集成在硅片上或硅材料集成在鐵氧體上;(3)錄音磁頭用薄膜材料高密度集成在硅片上或硅材料集成在鐵氧體上。

將變壓器和電感器集成在一起可縮小磁元件的體積，應(yīng)用混合功率封裝技術(shù)和集成磁技術(shù)可使航空用0.5MHz、薄型100W半橋式DC/DC變換器的厚度僅為5.08mm，功率密度達(dá)9.15W/cm3。壓電變壓器的應(yīng)用也使功率變換器電路小型化，如輸出24W的2MHz的DC/DC變換器，應(yīng)用壓電變壓器的變比為5：1，在DC/DC開關(guān)電源領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，壓電變壓器

的應(yīng)用將開創(chuàng)DC/DC變換器小型化的發(fā)展之路。

4高頻開關(guān)電源的發(fā)展趨勢

在電力電子技術(shù)及各種電源系統(tǒng)中，開關(guān)電源技術(shù)處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頻開關(guān)電源技術(shù),其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大地提高電源的利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關(guān)電源技術(shù)，通過開關(guān)電源改變用電頻率,從而達(dá)到近于理想的負(fù)載匹配和驅(qū)動控制。高頻開關(guān)電源技術(shù)更是各種大功率開關(guān)電源(逆變焊機(jī)、通信電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術(shù)。

4.1高頻化

理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,電氣產(chǎn)品的變壓器、電感器和電容器的體積和重量與供電頻率的平方根成反比。所以，當(dāng)我們把頻率從工頻50Hz提高400倍到20kHz時,則電氣設(shè)備的體積和重量大體下降至工頻設(shè)計(jì)的5%～l0%。無論是逆變式整流焊機(jī),還是通信電源用的開關(guān)式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)整流行業(yè)的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進(jìn)行改造,成為“開關(guān)變換類電源”,可節(jié)約主要材料90%或更多,還可節(jié)電30%或更多。由于功率器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化,可節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料，由此帶來相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益,更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價值。

4.2數(shù)字化

在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中,控制部分是按模擬信號來設(shè)計(jì)和工作的。在20世紀(jì)70年代,電力電子技術(shù)完全建立在模擬電路基礎(chǔ)上。但是,現(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要,數(shù)字信號處理技術(shù)日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點(diǎn):便于計(jì)算機(jī)處理控制，避免模擬信號的畸變失真，減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)，便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào),也便于自診斷、容錯等技術(shù)的植入。所以,在20世紀(jì)90年代,對于各類電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說,模擬技術(shù)還是有用的,特別是諸如印制版的布圖、電磁兼容問題以及功率因數(shù)校正等問題的解決,離不開模擬技術(shù),但是對于智能化的開關(guān)電源,當(dāng)用計(jì)算機(jī)控制時,就需要數(shù)字化技術(shù)。

4.3綠色化

電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電,這意味著發(fā)電容量的節(jié)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次是這些電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標(biāo)準(zhǔn),如IEC555、IEC917、IECl000等。事實(shí)上,許多功率電子節(jié)電設(shè)備,往往會變成電網(wǎng)的污染源:向電網(wǎng)注入嚴(yán)重的高次諧波電流,使總功率因數(shù)下降,使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀(jì)末,各種有源濾波器和有源補(bǔ)償器的方案誕生,有了多種校正功率因數(shù)的方法，為2l世紀(jì)批量生產(chǎn)各種綠色開關(guān)電源奠定了基礎(chǔ)。

現(xiàn)代電力電子技術(shù)是開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著新型電力電子器件和適于更高開關(guān)頻率的拓?fù)潆娐返牟粩喑霈F(xiàn),現(xiàn)代電源技術(shù)將在實(shí)際需要的推動下快速發(fā)展。在傳統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)下,由于功率器件性能的限制而使開關(guān)電源的性能受到影響。為了極大地發(fā)揮各種功率器件的特性,使器件性能對開關(guān)電源性能的不利影響減至最小,新的電源拓?fù)潆娐泛托滦涂刂萍夹g(shù),可使功率開關(guān)在零電壓或零電流狀態(tài)下工作,從而可大大提高工作頻率,提高開關(guān)電源的工作效率,設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的開關(guān)電源。

總之,電力電子及開關(guān)電源技術(shù)隨應(yīng)用需求而不斷向前發(fā)展,新技術(shù)的出現(xiàn)又會使許多應(yīng)用產(chǎn)品更新?lián)Q代,還會開拓更多更新的應(yīng)用領(lǐng)域。開關(guān)電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實(shí)現(xiàn),將標(biāo)志著這些技術(shù)的成熟,實(shí)現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。這幾年,隨著IC技術(shù)的發(fā)展,以開關(guān)電源技術(shù)為核心的電子設(shè)備用開關(guān)電源,僅國內(nèi)就有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內(nèi)外一大批科技人員對其進(jìn)行開發(fā)研究。開關(guān)電源代替線性電源和相控電源已是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億市場需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在啟動,并將很快發(fā)展起來，另外，還有其它許多以開關(guān)電源技術(shù)為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)。