開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展與展望

開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展與展望

1等優(yōu)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)開關(guān)箱是廣泛應(yīng)用于電子、通信、電氣、能源、航空航天、軍事、工業(yè)和家庭的電子裝置。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)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)裕量過大，設(shè)計(jì)過程中對(duì)產(chǎn)品工作狀況和實(shí)際性能的預(yù)見性較差。開關(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全面理解開關(guān)的一般原理2.1變壓器電路所涵蓋的范圍開關(guān)電源是作為線性穩(wěn)壓電源的一種替代物出現(xiàn)的，開關(guān)電源這一稱謂也是相對(duì)于線性穩(wěn)壓電源而產(chǎn)生的。顧名思義，開關(guān)電源就是電路中的電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)的電源。這樣一來(lái)，如果把四大類基本電力電子電路（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關(guān)電源電路。但是在實(shí)際應(yīng)用中，開關(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)條件的電源可稱之為開關(guān)電源,這三個(gè)條件就是：開關(guān)（電路中的電力電子器件工作在開關(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）。2.2變壓器的發(fā)展歷程開關(guān)電源的前身是線性穩(wěn)壓電源。在開關(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關(guān)電源得以問世，那時(shí)確定的開關(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年為了解決因開關(guān)頻率提高而引發(fā)的電磁干擾問題，出現(xiàn)了軟開關(guān)技術(shù)開關(guān)電路。隨后在20世紀(jì)90年代，為了提高開關(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變壓器電子電路的分類開關(guān)電源中的電子電路，也就是常說(shuō)的主電路，是開關(guān)電源的核心電路。對(duì)各種開關(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，可以將開關(guān)電源中的電力電子電路按圖1分類。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，如開關(guān)型穩(wěn)壓器、直流斬波器等?；仞佇碗娐窇?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單體系數(shù)校正電路—非隔離型電路的應(yīng)用范圍及特點(diǎn)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。Sepic型電路雖比較復(fù)雜，但由于輸出電壓可以高于輸入電壓也可以低于輸入電壓，所以可用于要求輸出電壓較低的單相功率因數(shù)校正電路。Zeta型電路很復(fù)雜，限制了使用范圍。3.2隔離電路的廣泛應(yīng)用和優(yōu)點(diǎn)隔離型各電路的應(yīng)用領(lǐng)域及優(yōu)缺點(diǎn)如表14關(guān)于開關(guān)控制技術(shù)的研究4.1動(dòng)態(tài)特性的所提出的矛盾器件發(fā)展到一定程度后，要進(jìn)一步提高產(chǎn)品的性能，必須采用新的控制方法和新的技術(shù)。目前，開關(guān)電源的控制方法和技術(shù)主要有軟開關(guān)技術(shù)和功率因數(shù)校正技術(shù)，民主均流控制技術(shù)，電流模式控制技術(shù)，本脈沖（one-cycle）控制技術(shù)等等。軟開關(guān)技術(shù)是指功率器件在零電壓或零電流條件下進(jìn)行換流。因此，軟開關(guān)技術(shù)可以降低功率器的開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)的開關(guān)頻率，降低變換器的體積和重量，使得系統(tǒng)的輸出紋波減少，并且可以克服變換電路對(duì)寄生分布參數(shù)的敏感性，降低系統(tǒng)的開關(guān)噪音，展寬系統(tǒng)的頻帶，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。功率因數(shù)校正技術(shù)通過有源校正的方法，使得網(wǎng)側(cè)電流波形跟蹤電壓波形，這樣，把掛在電網(wǎng)的開關(guān)電源變成一個(gè)接近純電阻的負(fù)載，不但可以抑制網(wǎng)側(cè)諧波電源，改善網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，降低電源的高次諧波產(chǎn)生的噪音和污染，提高電網(wǎng)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，而且使電源的電磁兼容性能力得到了加強(qiáng)。民主均流控制技術(shù)，既能實(shí)現(xiàn)電源模塊的自動(dòng)均流，又可以實(shí)現(xiàn)電源模塊的冗余。電源模塊的退出與增加均不影響系統(tǒng)的正常工作，均流母線的開路、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。電流模式控制技術(shù)則在以往電壓反饋控制的基礎(chǔ)上，增加電流反饋控制；在對(duì)電壓控制的基礎(chǔ)上，對(duì)電流也進(jìn)行動(dòng)態(tài)的控制，使得能夠逐個(gè)脈沖對(duì)電流進(jìn)行控制。一方面能加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)能力；另一方面，使得變壓器的偏磁情況、負(fù)載的均流、電源模塊的過載或短路保護(hù)等得到明顯的改善。而本脈沖控制技術(shù)是一種大信號(hào)的非線性控制方法，在每一個(gè)周期內(nèi)取開關(guān)變量，經(jīng)過積分器的積分與給定電壓比較，其誤差經(jīng)過放大后，動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)變換器占空比的大小。由于每個(gè)周期內(nèi)的占空比值只與該周期的開關(guān)變量有關(guān)，且開關(guān)變量（電壓或電流）的平均值在一個(gè)周期內(nèi)到達(dá)新的穩(wěn)態(tài)，使得開關(guān)變量（被控制量）的平均值和控制量無(wú)論是穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)都沒有誤差，具有良好的抗干擾能力和快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。該技術(shù)既可用于PWM控制，也可用于PFM控制；既可用于硬開關(guān)控制，也可用于軟開關(guān)控制；既可用于電壓模式控制，也可用于電流模式控制；既可用于電流連續(xù)的工作模式控制，也可用于電流不連續(xù)的工作模式控制，是開關(guān)變換器控制方式發(fā)展的一個(gè)重要方向。4.2電流模式控制技術(shù)在軟開關(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，恒頻軟開關(guān)技術(shù)已成為軟開關(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關(guān)范圍窄。因此，拓寬其軟開關(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)斷范圍大的軟開關(guān)；三是原邊的開關(guān)管和副邊的整流二極管同時(shí)實(shí)現(xiàn)大范圍的軟開關(guān)。目前，在這幾方面都取得了很大的進(jìn)展，為軟開關(guān)技術(shù)在開關(guān)電源中的廣泛應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。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，目前尚未見到基于本脈沖控制技術(shù)的開關(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、單相硬開關(guān)功率因數(shù)校正系列芯片、單相軟開關(guān)功率因數(shù)校正系列芯片、開關(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，為軟開關(guān)技術(shù)和功率因