開(kāi)關(guān)穩(wěn)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(dǎo)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(tǒng)有可能實(shí)現(xiàn)高頻化，并大幅度降低導(dǎo)通損耗，電路也更為簡(jiǎn)單。
第二個(gè)階段自20世紀(jì)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(guó)際電力電子界研究的熱點(diǎn)之一。
第三個(gè)階段從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊(IPEM)技術(shù)開(kāi)始發(fā)展，它是當(dāng)今國(guó)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(dǎo)體器件性能
1998年，Infineon公司推出冷MOS管，它采用“超級(jí)結(jié)”(Super-Junction)結(jié)構(gòu)，故又稱超結(jié)功率MOSFET。工作電壓600~800V，通態(tài)電阻幾乎降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，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(dǎo)體器件。
IGBT剛出現(xiàn)時(shí)，電壓、電流額定值只有600V、25A。很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，耐壓水平限于1200~1700V，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的探索研究和改進(jìn)，現(xiàn)在IGBT的電壓、電流額定值已分別達(dá)到3300V／1200A和4500V／1800A，高壓IGBT單片耐壓已達(dá)到6500V，一般IGBT的工作頻率上限為20~40kHz，基于穿通(PT)型結(jié)構(gòu)應(yīng)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。隨著工藝和結(jié)構(gòu)形式的不同，IGBT在20年的發(fā)展進(jìn)程中，有以下幾種類型：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(dǎo)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(dá)600℃)、熱穩(wěn)定性好、通態(tài)電阻小、導(dǎo)熱性能好、漏電流極小、PN結(jié)耐壓高等，有利于制造出耐高溫的高頻大功率半導(dǎo)體器件。
可以預(yù)見(jiàn)，碳化硅將是21世紀(jì)最可能成功應(yīng)用的新型功率半導(dǎo)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(biāo)。這對(duì)便攜式電子設(shè)備(如移動(dòng)電話，數(shù)字相機(jī)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(xiàn)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(chǔ)能元件的體積重量。
二是應(yīng)用壓電變壓器。應(yīng)用壓電變壓器可使高頻功率變換器實(shí)現(xiàn)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(shè)備的體積和重量，須設(shè)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(tǒng)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(tǒng)中應(yīng)用大量磁元件，高頻磁元件的材料、結(jié)構(gòu)和性能都不同于工頻磁元件，有許多問(wèn)題需要研究。對(duì)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(jí)頻率的磁性材料為人們所關(guān)注，納米結(jié)晶軟磁材料也已開(kāi)發(fā)應(yīng)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(yīng)用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。它是過(guò)去幾十年國(guó)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(jì)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(chǔ)。隨后新的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如準(zhǔn)諧振(上世紀(jì)80年代中)全橋移相ZVS-PWM，恒頻ZVS-PWM／ZCS-PWM(上世紀(jì)80年代末)ZVS-PWM有源嵌位；ZVT-PWM／ZCT-PWM(上世紀(jì)90年代初)全橋移相ZV-ZCS-PWM(上世紀(jì)90年代中)等。我國(guó)已將最新軟開(kāi)關(guān)技術(shù)應(yīng)用于6kW通信電源中，效率達(dá)93％。
2.5 同步整流技術(shù)
對(duì)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(shè)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(shù)校正(PFC)變換器
由于AC／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(shè)備，電網(wǎng)側(cè)(交流輸入端)功率因數(shù)僅為0.6-0.65。采用功率因數(shù)校正(PFC)變換器，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可提高到0.95~0.99，輸入電流THD10％。既治理了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，又提高了電源的整體效率。這一技術(shù)稱為有源功率因數(shù)校正(APFC)，單相APFC國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)較早，技術(shù)已較成熟；三相APFC的拓?fù)漕愋秃涂刂撇呗噪m然已經(jīng)有很多種，但還有待繼續(xù)研究發(fā)展。
一般高功率因數(shù)AC／DC開(kāi)關(guān)電源，由兩級(jí)拓?fù)浣M成，對(duì)于小功率AC／DC開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，采用兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總體效率低、成本高。如果對(duì)輸入端功率因數(shù)要求不特別高時(shí)，將PFC變換器和后級(jí)DC／DC變換器組合成一個(gè)拓?fù)洌瑯?gòu)成單級(jí)高功率因數(shù)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(shù)校正到0.8以上，并使輸出直流電壓可調(diào)，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稱為單管單級(jí)PFC變換器。
2.7 全數(shù)字化控制
電源的控制已經(jīng)由模擬控制，模數(shù)混合控制，進(jìn)入到全數(shù)字控制階段。全數(shù)字控制是發(fā)展趨勢(shì)，已經(jīng)在許多功率變換設(shè)備中得到應(yīng)用。

全數(shù)字控制的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)字信號(hào)與混合模數(shù)信號(hào)相比可以標(biāo)定更小的量，芯片價(jià)格也更低廉；對(duì)電流檢測(cè)誤差可以進(jìn)行精確的數(shù)字校正，電壓檢測(cè)也更精確；可以實(shí)現(xiàn)快速，靈活的控制設(shè)計(jì)。
近兩年來(lái)，高性能全數(shù)字控制芯片已經(jīng)開(kāi)發(fā)，費(fèi)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(shù)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(dǎo)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(qiáng)大的傳導(dǎo)電磁干擾和諧波干擾，以及強(qiáng)電磁場(chǎng)(通常是近場(chǎng))輻射。不但嚴(yán)重污染周圍電磁環(huán)境，對(duì)附近的電氣設(shè)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(nèi)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(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)電磁噪聲的干擾。上述特殊性，再加上EMI測(cè)量上的具體困難，在電力電子的電磁兼容領(lǐng)域里，存在著許多交叉學(xué)科的前沿課題有待人們研究。國(guó)內(nèi)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(shè)計(jì)和測(cè)試技術(shù)
建模、仿真和CAD是一種新的設(shè)計(jì)研究工具。為了仿真電源系統(tǒng)，首先要建立仿真模型，包括電力電子器件、變換器電路、數(shù)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(shù)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(tǒng)一的多層次模型等。
電源系統(tǒng)的CAD，包括主電路和控制電路設(shè)計(jì)、器件選擇、參數(shù)最優(yōu)化、磁設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、EMI設(shè)計(jì)和印制電路板設(shè)計(jì)、可靠性預(yù)估、計(jì)算機(jī)輔助綜合和優(yōu)化設(shè)計(jì)等。用基于仿真的專家系統(tǒng)進(jìn)行電源系統(tǒng)的CAD，可使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能最優(yōu)，減少設(shè)計(jì)制造費(fèi)用，并能做可制造性分析，是21世紀(jì)仿真和CAD技術(shù)的發(fā)展方向之一。此外，電源系統(tǒng)的熱測(cè)試、EMI測(cè)試、可靠性測(cè)試等技術(shù)的開(kāi)發(fā)、研究與應(yīng)用也是應(yīng)大力發(fā)展的。
2.10 系統(tǒng)集成技術(shù)
電源設(shè)備的制造特點(diǎn)是非標(biāo)準(zhǔn)件多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、成本高、可靠性低等，而用戶要求制造廠生產(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(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、可制造性、規(guī)模生產(chǎn)、降低成本等目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。
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(dǎo)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(tǒng)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，也減小了引線長(zhǎng)度，從而減小了寄生參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)一體化，所有元器件連同控制保護(hù)集成在一個(gè)模塊中。
上世紀(jì)90年代，隨著大規(guī)模分布電源系統(tǒng)的發(fā)展，一體化的設(shè)計(jì)觀念被推廣到更大容量、更高電壓的電源系統(tǒng)集成，提高了集成度，出現(xiàn)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(cè)、執(zhí)行等單元集成封裝，得到標(biāo)準(zhǔn)的，可制造的模塊，既可用于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，也可用于專用、特殊設(shè)計(jì)。優(yōu)點(diǎn)是可快速高效為用戶提供產(chǎn)品，顯著降低成本，提高可靠性。

3 結(jié)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。