高頻開關(guān)電源技術(shù)

開關(guān)電源的發(fā)展使電源擺脫了笨重、低效的變壓線性電源，但是，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，很多設備都向便攜式、微型化發(fā)展，這促使電源技術(shù)必須向高頻化發(fā)展，研究表明，電源產(chǎn)品的體積，重量與供電頻率的平方成反比。

1）電力電子設備的小型化、輕量化和高功率密度化

電力電子設備的發(fā)展方向之一是小型化，降低其體積、重量，提高功率密度。例如，隨著微處理器大規(guī)模集成電路（VLSI）尺寸的不斷減小，而供電電源的尺寸與微處理器相比卻要大得多。因此，必須采取新的技術(shù)來降低開關(guān)電源的體積重量。20世紀人們在提高開關(guān)電源功率密度方面做了不少工作。開關(guān)電源的小型化、減輕重量對便攜式電子設備（如移動電話、數(shù)碼相機）尤為重要。為了實現(xiàn)開關(guān)電源高功率密度，必須提高PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器的工作頻率，從而減小電路中儲能元件的體積和重量。

2）高頻電力電子技術(shù)

1980年以前，開關(guān)電源中PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率為20～50 kHz，從1980年起，提高開關(guān)頻率成為減少開關(guān)電源尺寸的最有效手段，同時 也改善了開關(guān)電源的動態(tài)性能。現(xiàn)在⒛0～500 kHz已成為輸出100 W以下開關(guān)電源的標準開關(guān)頻率。特殊制造的小功率開關(guān)電源，其開關(guān)頻率已 經(jīng)達到了幾兆赫。

如表給出了20世紀70年代以后的30年，通信和計算機用開關(guān)電源DC/DC轉(zhuǎn)換器高功率密度的發(fā)展進程。可見，高頻化、高功率密度和高效率是 開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展進步的重要標志。

如表 開關(guān)電源DC/DC轉(zhuǎn)換器的發(fā)展進程

3）高效率和軟開關(guān)技術(shù)

PWM開關(guān)電源按硬開關(guān)模式工作時，在開關(guān)過程中，功率開關(guān)器件的電壓和電流波形有交疊，因而開關(guān)損耗大。高頻化可以縮小感性元件和容性元件的體積重量，但開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗越大。為此，必須采取措施來提高高開關(guān)頻率DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率。人們研究了在開關(guān)過程中開關(guān)器件的電壓和電流波形不相交疊的技術(shù)，即所謂零電壓開關(guān)（ZVS）和零電流開關(guān)（ZCS）技術(shù)，總稱為軟開關(guān)技術(shù)（相對于PWM硬開關(guān)技術(shù)而言）。除了減小開關(guān)損耗以外，應用軟開關(guān)技術(shù)還可以大大降低開關(guān)的噪聲，以及減小了開關(guān)電源對外界的電磁干擾。

20世紀90年代中期，30A/48V PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器采用移相全橋ZVS-PWM技術(shù)后，重7kg，比用PWM技術(shù)的同類產(chǎn)品重量下降40％。軟開關(guān)技術(shù)的開發(fā)和應用，提高了開關(guān)電源的效率。據(jù)說，最近國外小功率DC/DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)電源模塊（48/12V）總效率可以達到96％；48/5V DC/DC轉(zhuǎn)換器開 關(guān)電源模塊的效率可以達到92％～93％。⒛世紀末，國內(nèi)生產(chǎn)的通信用50～100 A輸出，全橋移相式ZVZCS-PWM開關(guān)電源模塊的效率超過93％。

1994年2月，IEEE電力電子學會組織“功率轉(zhuǎn)換技術(shù)2000年展望專題研討會”，就DC/DC及AC/DC功率轉(zhuǎn)換器的發(fā)展趨勢與需求進行討論。指出 “高功率密度DC/DC零電壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器”與開關(guān)器件的性能、無源元件的性能、封裝技術(shù)等有很大關(guān)系。并預測，與1994年相比，到2000年，在保證可靠性增強一倍的基礎上，DC/DC轉(zhuǎn)換器的成本將降低一半，功率密度可以提高一倍。事實證明，有的DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品已經(jīng)達到了這個目標。