开关稳压电源
0 引言
开关稳压电源(以下简称开关电源)问世后,在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源.早期出现的是串联型开关电源,其主电路拓扑与线性电源相仿,但功率晶体管工作于开关状态.随着脉宽调制(PWM)技术的发展,PWM开关电源问世,它的特点是用20kHz的载波进行脉冲宽度调制,电源的效率可达65%~70%,而线性电源的效率只有30％~40％.因此,用工作频率为20 kHz的PWM开关电源替代线性电源,可大幅度节约能源,从而引起了人们的广泛关注,在电源技术发展史上被誉为20kHz革命. 随着超大规模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不断减小,电源的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备(如手提计算机、移动电话等)更需要小型化、轻量化的电源.因此,对开关电源提出了小型轻量要求,包括磁性元件和电容的体积重量也要小.此外,还要求开关电源效率要更高,性能更好,可靠性更高等.这一切高新要求便促进了开关电源的不断发展和进步.
1 开关电源的三个重要发展阶段
40多年来,开关电源经历了三个重要发展阶段.
第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件(BPT、SCR、GT0)发展为MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等),使电力电子系统有可能实现高频化,并大幅度降低导通损耗,电路也更为简单.
第二个阶段自20世纪80年代开始,高频化和软开关技术的研究开发,使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小.高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一.
第三个阶段从20世纪90年代中期开始,集成电力电子系统和集成电力电子模块(IPEM)技术开始发展,它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一.
2 开关电源技术的亮点
2.1 功率半导体器件性能
1998年,Infineon公司推出冷MOS管,它采用“超级结”(Super-Junction)结构,故又称超结功率MOSFET.工作电压600~800V,通态电阻几乎降低了一个数量级,仍保持开关速度快的特点,是一种有发展前途的高频功率半导体器件.
IGBT刚出现时,电压、电流额定值只有600V、25A.很长一段时间内,耐压水平限于1200~1700V,经过长时间的探索研究和改进,现在IGBT的电压、电流额定值已分别达到3300V／1200A和4500V／1800A,高压IGBT单片耐压已达到6500V,一般IGBT的工作频率上限为20~40kHz,基于穿通(PT)型结构应用新技术制造的IGBT,可工作于150kHz(硬开关)和300kHz(软开关).
IGBT的技术进展实际上是通态压降,快速开关和高耐压能力三者的折中.随着工艺和结构形式的不同,IGBT在20年的发展进程中,有以下几种类型：穿通(PT)型、非穿通(NPT)型、软穿通(SPT)型、沟漕型和电场截止(FS)型.
碳化硅(SiC)是功率半导体器件晶片的理想材料,其优点是禁带宽、工作温度高(可达600℃)、热稳定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、PN结耐压高等,有利于制造出耐高温的高频大功率半导体器件.
可以预见,碳化硅将是21世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料.
2.2 开关电源功率密度
提高开关电源的功率密度,使之小型化、轻量化,是人们不断追求的目标.这对便携式电子设备(如移动电话,数字相机等)尤为重要.使开关电源小型化的具体办法有以下几种.
一是高频化.为了实现电源高功率密度,必须提高PWM变换器的工作频率、从而减小电路中储能元件的体积重量.
二是应用压电变压器.应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和高功率密度.压电变压器利用压电陶瓷材料特有的“电压-振动”变换和“振动-电压”变换的性质传送能量,其等效电路如同一个串并联谐振电路,是功率变换领域的研究热点之一.
三是采用新型电容器.为了减小电力电子设备的体积和重量,须设法改进电容器的性能,提高能量密度,并研究开发适合于电力电子及电源系统用的新型电容器,要求电容量大、等效串联电阻(ESR)小、体积小等.
2.3 高频磁性元件
电源系统中应用大量磁元件,高频磁元件的材料、结构和性能都不同于工频磁元件,有许多问题需要研究.对高频磁元件所用的磁性材料,要求其损耗小、散热性能好、磁性能优越.适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注,纳米结晶软磁材料也已开发应用.
2.4 软开关技术
高频化以后,为了提高开关电源的效率,必须开发和应用软开关技术.它是过去几十年国际电源界的一个研究热点.
PWM开关电源按硬开关模式工作(开／关过程中电压下降／上升和电流上升／下降波形有交叠),因而开关损耗大.高频化虽可以缩小体积重量,但开关损耗却更大了.为此,必须研究开关电压／电流波形不交叠的技术,即所谓零电压开关(ZVS)／零电流开关(ZCS)技术,或称软开关技术,小功率软开关电源效率可提高到800%~85%.上世纪70年代谐振开关电源奠定了软开关技术的基础.随后新的软开关技术不断涌现,如准谐振(上世纪80年代中)全桥移相ZVS-PWM,恒频ZVS-PWM／ZCS-PWM(上世纪80年代末)ZVS-PWM有源嵌位；ZVT-PWM／ZCT-PWM(上世纪90年代初)全桥移相ZV-ZCS-PWM(上世纪90年代中)等.我国已将最新软开关技术应用于6kW通信电源中,效率达93％.
2.5 同步整流技术
对于低电压、大电流输出的软开关变换器,进一步提高其效率的措施是设法降低开关的通态损耗.例如同步整流(SR)技术,即以功率MOS管反接作为整流用开关二极管,代替萧特基二极管(SBD),可降低管压降,从而提高电路效率.
2.6 功率因数校正(PFC)变换器
由于AC／DC变换电路的输入端有整流器件和滤波电容,在正弦电压输入时,单相整流电源供电的电子设备,电网侧(交流输入端)功率因数仅为0.6-0.65.采用功率因数校正(PFC)变换器,网侧功率因数可提高到0.95~0.99,输入电流THD
