開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展

開(kāi)關(guān)電源是在電子、通信、電氣、能源、航空航天、軍事以及家電等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的一種電力電子裝置。它具有電能轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、控制精度高和快速性好等優(yōu)點(diǎn)，在小功率范圍內(nèi)基本上取代了線性調(diào)整電源，并迅速向中大功率范圍推進(jìn)，在很大程度上取代了晶閘管相控整流電源。開(kāi)關(guān)電源技術(shù)是目前中小功率直流電能變換裝置的主流技術(shù)。但是開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)工作較為繁瑣，難度大。

目前國(guó)內(nèi)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)裕量過(guò)大，設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品工作狀況和實(shí)際性能的預(yù)見(jiàn)性較差。開(kāi)關(guān)電源技術(shù)在迅速的向前發(fā)展，為了能夠在理解基本原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行再創(chuàng)造，我們應(yīng)該對(duì)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)有個(gè)整體概念的把握及其發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，從而提高自己的設(shè)計(jì)水平，最終提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

2 開(kāi)關(guān)電源的整體認(rèn)識(shí)

2.1 開(kāi)關(guān)電源的定義

開(kāi)關(guān)電源是作為線性穩(wěn)壓電源的一種替代物

出現(xiàn)的，開(kāi)關(guān)電源這一稱(chēng)謂也是相對(duì)于線性穩(wěn)壓電源而產(chǎn)生的。顧名思義，開(kāi)關(guān)電源就是電路中的電力電子器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的電源。這樣一來(lái)，如果把四大類(lèi)基本電力電子電路(AC-DC 電

路、DC-AC 電路、AC-AC 電路、DC-DC 電路)都看成電源電路，則所有的電力電子電路也都可以看成開(kāi)關(guān)電源電路。但是在實(shí)際應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)電源所涵蓋的范圍比這個(gè)范圍要小的多。同時(shí)具備三個(gè)條件的電源可稱(chēng)之為開(kāi)關(guān)電源，這三個(gè)條件就是：開(kāi)關(guān)(電路中的電力電子器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)而不是線性狀態(tài))、高頻(電路中的電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻)和直流(電源輸出是直流而不是交流)[1]。

2.2 開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展史及應(yīng)用范圍

開(kāi)關(guān)電源的前身是線性穩(wěn)壓電源。在開(kāi)關(guān)電源出現(xiàn)之前，許多控制設(shè)備的工作電源都采用線性穩(wěn)壓電源。由于計(jì)算機(jī)等電子裝置的集成度不斷增加，功能越來(lái)越強(qiáng)，他們的體積卻越來(lái)越小，因此迫切需要體積小、重量輕、效率高、性能好的新型電源，這就成了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。

新型電力電子器件的發(fā)展給開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展提供了物質(zhì)條件。在 20 世紀(jì) 60 年代末，巨型晶體管(GTR)的出現(xiàn)，使得采用高工作頻率的開(kāi)關(guān)電源得以問(wèn)世，那時(shí)確定的開(kāi)關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)一直沿用至今。后來(lái)隨著電力 MOSFET 的應(yīng)用，開(kāi)關(guān)電源的頻率進(jìn)一步提高，使得電源體積更小，重量更輕，功率密度進(jìn)一步提高。在 20 世紀(jì) 80 年代，IGBT 的出現(xiàn)讓僅適用于小功率場(chǎng)合的開(kāi)關(guān)電源在中大功率直流電源也得以發(fā)揮。在 20 世紀(jì) 80 年代后 20 年為了解決因開(kāi)關(guān)頻率提高而引發(fā)的電磁干擾問(wèn)題，出現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)開(kāi)關(guān)電路。隨后在 20 世紀(jì) 90 年代，為了提高開(kāi)關(guān)電源的功率因數(shù)，出現(xiàn)了功率因數(shù)校正技術(shù)(PFC)。

目前除了對(duì)直流輸出電壓的紋波要求極高的場(chǎng)合外，開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)全面取代了線性穩(wěn)壓電源，主要用于小功率場(chǎng)合。例如：計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、各種電子儀器的電源。在許多中等容量范圍內(nèi)，開(kāi)關(guān)電源逐步取代了相控電源，例如：通信電源領(lǐng)域、電焊機(jī)、電鍍裝置等的電源。

3 開(kāi)關(guān)電源中的電子電路

開(kāi)關(guān)電源中的電子電路，也就是常說(shuō)的主電路，是開(kāi)關(guān)電源的核心電路。對(duì)各種開(kāi)關(guān)電源主電路的工作原理與適用條件的分析是進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源電路選型的基礎(chǔ)，也是主電路和控制電路參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

根據(jù)電路是否具有電能回饋能力、輸出端與輸入端是否電氣隔離以及電路的結(jié)構(gòu)形式三個(gè)原則，可以將開(kāi)關(guān)電源中的電力電子電路按圖 1 分類(lèi)。

各種不同的電路有各自不同的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合?？偟膩?lái)說(shuō)，非回饋型電路比回饋型電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，而絕大多數(shù)應(yīng)用不需要開(kāi)關(guān)電源具備回饋能力，因此，非回饋型電路應(yīng)用遠(yuǎn)比回饋型電路廣泛。非隔離型電路比隔離型電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但多數(shù)應(yīng)用需要開(kāi)關(guān)電源的輸出端與輸入端隔離，或需要多組相互隔離的輸出，

所以，隔離型電路的應(yīng)用較廣泛。而非隔離型電路也有不少應(yīng)用，如開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器、直流斬波器

降壓型

升壓型

非 隔 離升降壓型

Cuk 型

Sepic 型

非回饋型Zeta 型

正激型

反激型

開(kāi)隔離型半橋型

關(guān)

全橋型

電

源 推挽型

二象限型

非隔離型

回饋型 四象限型

隔離型

圖 1

等。回饋型電路應(yīng)用較少，下面重點(diǎn)比較非回饋型各電路的特點(diǎn)與應(yīng)用。

3.1 非隔離型電路的應(yīng)用范圍及特點(diǎn)[1]

降壓(Buck)型電路只能降壓不能升壓，輸出與輸入同極性，輸入電流脈動(dòng)大，輸出電流脈動(dòng)小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。常用于降壓型直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器、不可逆直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速等場(chǎng)合。

升壓(Boost)型電路只能升壓不能降壓，輸出與輸入同極性，輸入電流脈動(dòng)小，輸出電流脈動(dòng)大，不能空載，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。常用于將較低的直流電壓變換成為較高的直流電壓，如電池供電設(shè)備中的升壓電路、液晶背光電源等。該電路另一個(gè)重要用途就是作為單相功率因數(shù)校正電路。

升降壓(Buck-Boost)型電路不僅可以靈活地改變電壓的高低，而且能改變電壓極性，常用于電池供電設(shè)備中產(chǎn)生負(fù)電源的電路以及各種開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中。

Cuk 型電路的特點(diǎn)與升降壓電路相似，但電路較復(fù)雜。優(yōu)點(diǎn)是輸入與輸出回路中都有電感使輸出電壓紋波較小，從輸入電源吸取的電流紋波也較小，可以在特殊場(chǎng)合使用。

船電技術(shù) 2005 年第 5 期15

Sepic 型電路雖比較復(fù)雜，但由于輸出電壓可 Zeta 型電路很復(fù)雜，限制了使用范圍。

以高于輸入電壓也可以低于輸入電壓，所以可用3.2 隔離型各電路的應(yīng)用領(lǐng)域及優(yōu)缺點(diǎn)

于要求輸出電壓較低的單相功率因數(shù)校正電路。 隔離型各電路的應(yīng)用領(lǐng)域及優(yōu)缺點(diǎn)如表 1 [1]

表 1 隔離型各電路的應(yīng)用領(lǐng)域及優(yōu)缺點(diǎn)

電路優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn) 功率范圍應(yīng)用領(lǐng)域

正激型電路較簡(jiǎn)單，成本低，可靠變壓器單向勵(lì)磁，利用率幾百瓦～幾各種中小功率開(kāi)關(guān)電源性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單低 千瓦，反激型電路非常簡(jiǎn)單，成本很低， 難達(dá)到較大功率，變壓器幾百瓦～幾小功率和消費(fèi)電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單單向勵(lì)磁，利用率低 十瓦設(shè)備電源全橋型變壓器雙向勵(lì)磁，容易達(dá)到結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，可靠幾百瓦～幾大功率工業(yè)用開(kāi)關(guān)電源、焊接電大功率性低，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜 百千瓦源、電解電源半橋型變壓器雙向勵(lì)磁，開(kāi)關(guān)較有直通問(wèn)題，可靠性低，幾百瓦～幾工業(yè)用開(kāi)關(guān)電源、計(jì)算機(jī)設(shè)備用少，成本低，無(wú)偏磁問(wèn)題需要復(fù)雜隔離驅(qū)動(dòng)電路千瓦開(kāi)關(guān)電源，變壓器雙向勵(lì)磁，變壓器一 幾百瓦～幾，推挽型次電流回路只有一個(gè)開(kāi)關(guān)， 低輸入電壓的開(kāi)關(guān)電源

有偏磁問(wèn)題 千瓦通態(tài)損耗較小，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單

4 開(kāi)關(guān)電源控制技術(shù)的研究 母線的開(kāi)路、短路以及模塊的損壞都不會(huì)影響系

統(tǒng)其它模塊的正常工作，是目前最優(yōu)秀的均流方法法

4.1 開(kāi)關(guān)電源控制技術(shù)的介紹。

器件發(fā)展到一定程度后，要進(jìn)一步提高產(chǎn)品電流模式控制技術(shù)[1]則在以往電壓反饋控制的性能，必須采用新的控制方法和新的技術(shù)。目的基礎(chǔ)上，增加電流反饋控制;在對(duì)電壓控制的前，開(kāi)關(guān)電源的控制方法和技術(shù)主要有軟開(kāi)關(guān)技基礎(chǔ)上，對(duì)電流也進(jìn)行動(dòng)態(tài)的控制，使得能夠逐術(shù)和功率因數(shù)校正技術(shù)，民主均流控制技術(shù)，電個(gè)脈沖對(duì)電流進(jìn)行控制。一方面能加快系統(tǒng)的動(dòng)流模式控制技術(shù)，本脈沖(one-cycle)控制技態(tài)反應(yīng)能力;另一方面，使得變壓器的偏磁情況、術(shù)等等。 負(fù)載的均流、電源模塊的過(guò)載或短路保護(hù)等得到軟開(kāi)關(guān)技術(shù)[2]是指功率器件在零電壓或零電明顯的改善。

流條件下進(jìn)行換流。因此，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以降低而本脈沖控制技術(shù)[3]是一種大信號(hào)的非線性功率器的開(kāi)關(guān)損耗，提高系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率，降低控制方法，在每一個(gè)周期內(nèi)取開(kāi)關(guān)變量，經(jīng)過(guò)積變換器的體積和重量，使得系統(tǒng)的輸出紋波減少，分器的積分與給定電壓比較，其誤差經(jīng)過(guò)放大后，并且可以克服變換電路對(duì)寄生分布參數(shù)的敏感動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)變換器占空比的大小。由于每個(gè)周期性，降低系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)噪音，展寬系統(tǒng)的頻帶，改內(nèi)的占空比值只與該周期的開(kāi)關(guān)變量有關(guān)，且開(kāi)善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 關(guān)變量(電壓或電流)的平均值在一個(gè)周期內(nèi)到功率因數(shù)校正技術(shù)通過(guò)有源校正的方法，使達(dá)新的穩(wěn)態(tài)，使得開(kāi)關(guān)變量(被控制量)的平均得網(wǎng)側(cè)電流波形跟蹤電壓波形，這樣，把掛在電值和控制量無(wú)論是穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)都沒(méi)有誤差，具有網(wǎng)的開(kāi)關(guān)電源變成一個(gè)接近純電阻的負(fù)載，不但良好的抗干擾能力和快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

該技可以抑制網(wǎng)側(cè)諧波電源，改善網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，降術(shù)既可用于 PWM 控制，也可用于 PFM 控制;既低電源的高次諧波產(chǎn)生的噪音和污染，提高電網(wǎng)可用于硬開(kāi)關(guān)控制，也可用于軟開(kāi)關(guān)控制;既可的質(zhì)量，減少無(wú)功功率的流動(dòng)和達(dá)到節(jié)能的效果，用于電壓模式控制，也可用于電流模式控制;既而且使電源的電磁兼容性能力得到了加強(qiáng)[1] ?？捎糜陔娏鬟B續(xù)的工作模式控制，也可用于電流民主均流控制技術(shù)[3]，既能實(shí)現(xiàn)電源模塊的不連續(xù)的工作模式控制，是開(kāi)關(guān)變換器控制方式自動(dòng)均流，又可以實(shí)現(xiàn)電源模塊的冗余。電源模發(fā)展的一個(gè)重要方向。塊的退出與增加均不影響系統(tǒng)的正常工作，均流

4.2 開(kāi)關(guān)電源控制技術(shù)的現(xiàn)狀分析與發(fā)展趨勢(shì)

在軟開(kāi)關(guān)變換電路中，有變頻控制的 PFM，和恒頻控制的 PWM。由于恒頻控制方式要優(yōu)于變頻控制方式，恒頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù)已成為軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的主流。其中，在傳統(tǒng)的橋式相控電路中，若綜合 PWM 技術(shù)和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，則可在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) PWM 控制和輸出電壓或電流的大范圍無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，并且在功率器件換流瞬間，實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)換流。這是一種低成本、高效率的實(shí)用電路。但目前研制的相移控制軟開(kāi)關(guān)電路存在一些不足之處，主要是變換電路滯后橋臂零電壓開(kāi)關(guān)范圍窄。因此，拓寬其軟開(kāi)關(guān)范圍是該電路得到進(jìn)一步廣泛應(yīng)用的前提。各國(guó)學(xué)者一直在努力，提出一系列改進(jìn)方法，主要集中在三個(gè)方面：一是拓寬滯后橋臂的零電壓開(kāi)通范圍;二是將滯后橋臂構(gòu)造成零電流關(guān)斷范圍大的軟開(kāi)關(guān);三是原邊的開(kāi)關(guān)管和副邊的整流二極管同時(shí)實(shí)現(xiàn)大范圍的軟開(kāi)關(guān)。目前，在這幾方面都取得了很大的進(jìn)展，為軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在開(kāi)關(guān)電源中的廣泛應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)[1]。

在功率因數(shù)校正電路方面，其電路通常采用升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而較受關(guān)注的是 PFC 的控制技術(shù)。目前最為常用的控制技術(shù)有三種：平均電流型控制、CCM/DCM 邊界控制、電流鉗位控制。其中平均電流型控制最為普及，該電路中通過(guò)檢測(cè) Boost 電感電流并與正弦電流基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，所得的誤差信號(hào)經(jīng)放大后再與諧波信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生 PWM 占空比信號(hào)去控制主開(kāi)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)和穩(wěn)定輸出電壓。該控制技術(shù)的電壓環(huán)帶寬控制在 20Hz 以下，電流環(huán)則要求足夠快以滿足不失真和低諧波的要求。它有專(zhuān)用控制器芯片，如 UC3854，目前通常用于 1kW 以上的功率級(jí)。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是定頻控制，功率因數(shù)較高;缺點(diǎn)是要檢測(cè)電感電流，控制器外圍設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。CCM/DCM 邊界控制是一種滯后控制技術(shù)，控制的上限是一個(gè)正弦基準(zhǔn)電流，下限為零。電流鉗位控制實(shí)際上就是電流型控制Boost 電路。

在控制模式方面，有電壓模式控制和電流模式控制。電壓模式是單環(huán)控制，電流模式控制是雙環(huán)控制。電流模式控制技術(shù)可以較好地解決大功率電源的并聯(lián)問(wèn)題，電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能更好，變壓器的偏磁情況、電源模塊的過(guò)載或短路保護(hù)等得到明顯的改善。所以在電源產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中電流模式得到廣泛的應(yīng)用。

在新技術(shù)方面，近來(lái)開(kāi)關(guān)變換器發(fā)展起來(lái)的本脈沖控制是最值得注意的方向之一。不過(guò)，目前尚未見(jiàn)到基于本脈沖控制技術(shù)的開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品。

與此同時(shí)，世界上許多著名的電子公司為了適應(yīng)功率電子學(xué)發(fā)展的浪潮，不斷推出適應(yīng)各種新型控制技術(shù)的芯片。美國(guó)的 UNITRODE 公司是其中一個(gè)杰出代表，其所開(kāi)發(fā)的芯片既有電壓模式控制的，又有電流模式控制的，覆蓋了功率電子學(xué)所有的應(yīng)用領(lǐng)域。其中，與開(kāi)關(guān)電源密切相關(guān)的芯片主要有相移控制系列芯片、單相硬開(kāi)關(guān)功率因數(shù)校正系列芯片、單相軟開(kāi)關(guān)功率因數(shù)校正系列芯片、開(kāi)關(guān)電源負(fù)載均流系列芯片等等。成功地研制這些性能良好的芯片，為軟開(kāi)關(guān)技術(shù)和功率因數(shù)校正技術(shù)以及其它新技術(shù)在開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用奠定了一定的物質(zhì)基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

PWM 高頻調(diào)制技術(shù)、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、處理網(wǎng)側(cè)諧波電流和提高網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的 PFC 技術(shù)的研究正將電力電子技術(shù)的應(yīng)用引入高效、高性能、高功率因數(shù)和低污染的新階段。從而使開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品在系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性、電磁兼容性、消除網(wǎng)側(cè)電源諧波、提高電源利用率、降低損耗、提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能等方面取得長(zhǎng)足進(jìn)步的同時(shí)，正向高頻化、高功率密度、高功率因數(shù)、高可靠性和高智能化方向發(fā)展。