簡(jiǎn)述DC-DC開關(guān)電源小型化發(fā)展中的不足及其應(yīng)對(duì)措施

一、前言

人們希望直流電源象一個(gè)容量很大的原電池一樣的干凈，紋波和噪聲極低，內(nèi)阻極小。希望有很快的響應(yīng)速度。是數(shù)十年來人們不斷努力追求的第一個(gè)基本目標(biāo)。

同時(shí)，提高電源的功率密度和效率，使之小型、輕量、高效;提高電源的功率輸出特別是低壓大電流輸出，這也是數(shù)十年來人們不斷努力追求的第二個(gè)基本目標(biāo)。

在線性穩(wěn)壓電源和SCR相控電源的發(fā)展階段，為了追求第一個(gè)基本目標(biāo)我們?nèi)〉昧撕艽蟮某晒ΑＶ两瘢圃旒y波系數(shù)0.01%、電壓調(diào)整率0.05%的直流電源并非難事。如果設(shè)計(jì)足夠的開環(huán)增益與合理的開環(huán)頻率特性，也可以達(dá)到很高的閉環(huán)響應(yīng)速度。但是，它的體積很大，效率低，因而輸出電流也不大。

為了實(shí)現(xiàn)第二個(gè)基本目標(biāo)而出現(xiàn)的高頻DC-DC開關(guān)電源技術(shù)，在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中，均處于核心地位。它在功率密度和效率的提高，使之小型、輕量、高效和電流輸出方面取得了極大的成功，但是，由于它逆變中的換向問題和各組成部分發(fā)展的不平衡，也留下了明顯的不足與遺憾：超小型的模塊或者功率芯片不可能達(dá)到很大的電流輸出和高的紋波噪聲抑制能力。換句話說，要求低壓大電流輸出和有很高的紋波噪聲抑制能力的開關(guān)電源，就不可能有很高的功率密度。

本文將簡(jiǎn)要分析高頻DC-DC開關(guān)電源在小型化過程中(第二個(gè)基本目標(biāo))的成功與不足，并提出改進(jìn)與應(yīng)對(duì)的措施。使得高功率密度、大輸出電流、高的紋波噪聲抑制能力的開關(guān)電源問世。

二、高頻DC-DC開關(guān)電源在實(shí)現(xiàn)小型化、提高功率密度方面取得了巨大成就

在半個(gè)多世紀(jì)以前，其實(shí)人們就都知道了開關(guān)電源的原理：采取逆變的方法實(shí)現(xiàn)直流-交流-直流的轉(zhuǎn)換。這樣一來，就可以通過變壓器、調(diào)頻-調(diào)寬等方式來調(diào)節(jié)輸出直流電壓;可以通過提高工作頻率來縮小變壓器、電路中的儲(chǔ)能元件電感濾波器、電容器的體積重量。這樣的電源比線性穩(wěn)壓電源和SCR相控電源的效率和功率密度要高得多。

隨著電子技術(shù)、半導(dǎo)體器件快速的發(fā)展，數(shù)十年來電源的高頻化和軟開關(guān)技術(shù)成為了國(guó)際電力電子界研究的主要熱點(diǎn)之一。在很多方面開關(guān)電源逐步取代了線性穩(wěn)壓電源和SCR相控電源。開關(guān)電源高頻化的理想開始實(shí)現(xiàn)，采用PWM控制技術(shù)的DC/DC變換器模塊操作頻率已經(jīng)達(dá)到了從20kHz到400kHz 范圍。同時(shí)，為了解決逆變中的換向帶來的變換器開關(guān)功耗大、效率降低及噪聲增加等問題，1997年，在已進(jìn)行了將近三十年的世界范圍的軟開關(guān)基礎(chǔ)理論研究之后，“第二代產(chǎn)品”以零電流開關(guān)(ZCS)、零電壓開關(guān)(ZVS)軟開關(guān)控制技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合了控制集成、封裝、鐵氧體、噪聲和散熱技術(shù)等方面的最新科技成果，使功率密度達(dá)到了120-180W/in3，效率達(dá)到90%，操作頻率接近1MHz。在過去的幾年里還實(shí)現(xiàn)了完全的ZVS同步整流和開展集成電源模塊的研究開發(fā)。使得高功率密度高頻DC-DC開關(guān)電源產(chǎn)品達(dá)到了與“理想功率器件”極為接近的境地。出現(xiàn)了很多的電路拓?fù)?。目前，甚至出現(xiàn)了工作頻率是3MHz的1000W/in?的功率芯片，有了飛速的發(fā)展。

三、但是高功率密度高頻DC-DC低壓大電流輸出能力及紋波噪聲抑制能力受到限制

但是，我們也應(yīng)當(dāng)看到，在不斷的提高工作頻率、功率密度和效率的過程中，高功率密度高頻DC-DC開關(guān)電源模塊或者功率芯片，它將受到兩個(gè)限制：它的低壓大電流輸出能力受到限制。在低壓大電流輸出時(shí)，它的紋波噪聲抑制能力也受到限制。然而，正如前面已經(jīng)指出的，在任何一種不追求高功率密度的低頻開關(guān)電源，在這些方面卻都沒有不可克服的限制。

目前無論是高功率密度DC/DC模塊，或者是分比式功率架構(gòu)中的功率芯片，功率多數(shù)在數(shù)百瓦以內(nèi)，最大輸出電流在100A以下。而不追求高功率密度的開關(guān)電源，比如說工作頻率在100-200KHz以下，功率密度為6-10W/in?左右的框架式整機(jī)開關(guān)電源產(chǎn)品。其輸出功率可以達(dá)到數(shù)千瓦以上，輸出電流可以很容易的達(dá)到數(shù)百安培，甚至更大。如果想制造輸出電流幾百安上千安、紋波系數(shù)0.05%—0.01%的這類直流電源，在實(shí)踐上或者理論上都不會(huì)發(fā)生困難。這說明了什么呢?這說明了我們?cè)诓粩嗟奶岣吖β拭芏鹊倪^程中，自始至終存在著一個(gè)輸出低壓大電流能力的限制性因素。至于說通過模塊的串并聯(lián)來增加功率和電流，那是另一個(gè)問題。實(shí)際上也不可能完全通過串并聯(lián)來解決，在n+1亢余系統(tǒng)中， 通過模塊串并聯(lián)組成的更大電流更大功率的電源，但是它的整機(jī)功率密度是遠(yuǎn)低于每一個(gè)模塊的。單個(gè)電源模塊的功率越大，整機(jī)功率密度就下降越多。

同樣，如上面所述，線性穩(wěn)壓電源和SCR相控電源，或者不追求高功率密度的、輸出數(shù)百安培的框架式整機(jī)開關(guān)電源，它的紋波噪聲也能夠很容易的達(dá)到0.2%-0.05%以下。但是，無論是高功率密度高頻DC/DC模塊，或者是分比式功率架構(gòu)中的功率芯片，在它的最大輸出電流80-100A時(shí)，它的紋波噪聲甚至?xí)_(dá)到5-10%以上。這說明了什么呢?這說明了我們?cè)诓粩嗟奶岣咻敵龃箅娏髂芰Φ倪^程中，高功率密度高頻DC/DC模塊和芯片自始至終存在著一個(gè)紋波和噪聲水平的限制性因素。作為一個(gè)產(chǎn)品，外接電容實(shí)際上并不那么容易解決問題，輸出電流愈大愈是如此。

所以，盡管高功率密度高頻DC/DC或者是分比式功率架構(gòu)中的功率芯片的功率密度和效率是如此的高，但是，它是以犧牲某些性能為代價(jià)的。因此，它目前還無法完全取代那些體積較大、效率較低的線性穩(wěn)壓電源或者較低工作頻率的開關(guān)電源。

四、簡(jiǎn)析產(chǎn)生這兩種限制的原因

在這篇文章中，我將首先針對(duì)高功率密度高頻DC/DC電源在發(fā)展的過程中所出現(xiàn)的上述不足或缺陷，簡(jiǎn)單的分析它產(chǎn)生的原因，對(duì)其中的某些問題提出建設(shè)性的意見，如果有必要，將在后續(xù)的文章中，詳細(xì)的論述它。

它的低壓大電流輸出能力受到限制的主要原因是：

首先，采取逆變的方法實(shí)現(xiàn)直流-交流-直流轉(zhuǎn)換的開關(guān)電源，逆變換向問題是它的原理性的缺陷，這和直流電動(dòng)機(jī)的換向在理論上是一樣的。如果有一天，我們發(fā)明了一種新的DC/DC的變換方式，它沒有逆變換向問題，那么，這類原理性的缺陷就沒有了。在現(xiàn)今，盡管我們可以在一定程度上克服它，但是要想徹底解決原理性的缺陷所帶來的限制性的因素是不可能的。這個(gè)缺陷必然限制DC/DC變換器輸出電流能力和功率密度的進(jìn)一步提高，以現(xiàn)在的情況而論，高功率密度高頻DC/DC模塊產(chǎn)品，或者是分比式功率架構(gòu)中的功率芯片，在如此高的功率密度下，它們可能沒有了多少有價(jià)值的發(fā)展可能性。當(dāng)然，我們還可以進(jìn)一步的研究這個(gè)可能性還有多少，。在以后的文章中，我還準(zhǔn)備更詳細(xì)的論述對(duì)這個(gè)問題的估計(jì)。

其次，鑒于上述的原因，如果還要進(jìn)一步提高大電流輸出的能力，將使電磁環(huán)境更加惡化，紋波和噪聲增大，而在如此狹小的空間內(nèi)，已經(jīng)沒有空間來安裝合適的濾波器，為了維持最基本的直流輸出質(zhì)量，制造商要么降低功率密度，要么降低電流輸出。這個(gè)問題以后還要論述。

第三，在我們所處的“微電子技術(shù)”時(shí)代，常溫超導(dǎo)材料的問題可能在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)無法解決。

在低壓大電流輸出時(shí)，它的紋波和噪聲抑制能力受到限制的主要原因是：

在DC/DC的變換方式中，逆變換向是需要時(shí)間的，輸出電流越大需要時(shí)間越多。這是高功率密度高頻DC/DC模塊，或者是分比式功率架構(gòu)中的功率芯片，在低壓大電流輸出時(shí)，紋波較大的根源。換句話說，如果換向不需要時(shí)間的話，那么DC/DC變換器的輸出電壓波形在理論上將是一條平滑的直線，沒有紋波和噪聲。我們知道，在任何一種DC/DC變換器中，都實(shí)際存在著基頻為兩倍工作頻率的，由換向所造成的紋波和噪聲。尤其是對(duì)于大電流的換向，無論是零電壓，零電流開關(guān)，或者說是任何一種其它的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，都不能消除這類原理性的倍頻紋波和噪聲。輸出電流越大紋波噪聲也越大，唯有寄希望于濾波。

但是，在低壓大電流輸出時(shí)，負(fù)載電阻極低，接近于短路，唯有采用電感性濾波器才能有效地清除紋波，采用并聯(lián)電容濾波效果是不明顯的。電感性濾波器是一個(gè)儲(chǔ)能元件，它的體積與通過它的電流(輸出電流)的平方成正比例，因此，制造紋波系數(shù)極低的大電流輸出開關(guān)電源時(shí)，它所需要的大電感量的濾波器將有很大的體積，此時(shí)它將比功率變壓器大得多。它無法安裝在功率密度極高的高頻DC/DC模塊，或者是功率芯片中，這是在低壓大電流輸出時(shí)，它的紋波和噪聲的抑制能力受到限制的最主要的原因。換句話說，欲制造輸出電流極大、紋波系數(shù)極低的開關(guān)電源，就不可能有極高的功率密度，相反，欲制造功率密度極大的高頻DC/DC模塊或功率芯片，就不可能有極低的紋波系數(shù)。在分比式功率架構(gòu)的功率芯片與高功率密度高頻DC/DC模塊中，由于體積限制的原因，無法安裝足夠的電感濾波器，或者沒有考慮到電感性濾波，所以它無法達(dá)到很低的紋波系數(shù)。

綜合上面的論述，我認(rèn)為，在DC-DC開關(guān)電源小型化的發(fā)展道路上，逆變換向問題是一個(gè)原理性的缺陷，它是高功率密度高頻DC/DC開關(guān)電源，或者是分比式功率架構(gòu)中的功率芯片的輸出大電流能力受到限制，不太可能再有階躍性的大發(fā)展的主要原因。而電感性濾波器小型化發(fā)展的緩慢，是它的紋波噪聲抑制能力受到限制的主要原因。換句話說，電源各個(gè)組成部分元器件的發(fā)展是不平衡的。如功率開關(guān)、功率二極管、變壓器、控制集成電路等發(fā)展很快，但是，儲(chǔ)能元器件如電容器、電感器等的發(fā)展就較慢。所以，也可以這樣說，這種發(fā)展的不平衡，才是DC-DC開關(guān)電源小型化發(fā)展中，功率密度與紋波噪聲抑制能力發(fā)展不平衡的最終原因。單純的采用提高頻率的方法是不可能解決全部問題的。

如果我們對(duì)高功率密度高頻DC-DC開關(guān)電源的這些問題能夠提出滿意的解決方案：它不僅功率密度和效率極高，大電流輸出能力也強(qiáng)。而且在任何負(fù)載下，輸出電壓的質(zhì)量也極高，紋波噪聲極低。那么，人們希望直流電源達(dá)到的兩個(gè)基本目標(biāo)才有可能得以全面的實(shí)現(xiàn)。只有這樣，才能使高頻電源模塊或者功率芯片，完全取代那些體積較大、效率較低的DC-DC開關(guān)電源。