開關(guān)電源新技術(shù)的應(yīng)用研究

錢瑩　邢仁周

摘要：以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件，表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時代，開關(guān)電源的工作頻率得以大大提高，一些新技術(shù)的應(yīng)用更是進(jìn)一步提升了開關(guān)電源的性能。開關(guān)電源擁有更廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；有源鉗位技術(shù)；軟開關(guān)技術(shù)

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）10-2421-02

Abstract： A power MOSFET and IGBT represented， set the high-frequency， high-voltage and high current in a power semiconductor composite device， indicating that the traditional power electronics technology has entered the era of modern power electronics， switching power supply operating frequency can be greatly improved， some of the new technologies application is to further enhance the performance of the switching power supply. Switching power supply have a broader space for development and application prospects.

Key words： switching power supply； active clamp technique； soft switch technology

1 概述

開關(guān)電源發(fā)明于上世紀(jì)六十年代，至今已經(jīng)有50多年的發(fā)展史。最早期的開關(guān)電源技術(shù)并不成熟，例如，可控桂相位控制開關(guān)和分立元件開關(guān)電源，他們的開關(guān)頻率較低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難調(diào)試和操作，而且造價較高，所以并沒有得到廣泛使用，只運(yùn)用在國防、航天等場合。直到70世紀(jì)開始出現(xiàn)了脈寬調(diào)制型開關(guān)，才使得開關(guān)電源器件得到了廣泛地使用。隨著技術(shù)的發(fā)展，IGBT和MOS開關(guān)管問世。IGBT技術(shù)解決了早期開關(guān)頻率較低的問題，將電源的工作頻率由20kHz擴(kuò)展至幾百千Hz至幾兆Hz，使開關(guān)電源可以在中大功率電器中使用，MOS管技術(shù)的運(yùn)用提高了電源的工作頻率，大大提升了開關(guān)電源的效率。上世紀(jì)末，同步整流技術(shù)也被運(yùn)用到開關(guān)電源中，使得開關(guān)電源的效率進(jìn)一步得到了極大的提升。各種新型技術(shù)的使用都開關(guān)電源的性能不斷地得到提升。

2 有源鉗位技術(shù)

對反激式開關(guān)電源而言， 每當(dāng)功率開關(guān)管（MOSFET）由導(dǎo)通變成截止時，在開關(guān)電源的一次繞組上就會產(chǎn)生尖峰電壓和感應(yīng)電壓。其中的尖峰電壓是由于高頻變壓器存在漏感（即漏磁產(chǎn)生的自感）而形成的，它與直流高壓UI 和感應(yīng)電壓UOR 疊加在MOSFET 的漏極上，很容易損壞MOSFET。為此，必須在增加漏極鉗位保護(hù)電路，對尖峰電壓進(jìn)行鉗位或者吸收。由電阻，電容，二極管構(gòu)成的鉗位電路屬于無源鈕位，能吸收由于高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，但電路本身消耗功率大，圖1所示四種無源鉗位保護(hù)電路。

圖1展示了4種無源鉗位保護(hù)電路：

圖1中的（a）圖為TVS、VD 型鉗位電路，它是由瞬態(tài)電壓抑制器TVS（這里使用的是P6KE200），加上阻塞二極管（這里使用的是超快恢復(fù)二極管UF4005）組合構(gòu)成的。

（b）圖為R、C、VD 型鉗位電路，是由阻容吸收元件加上阻塞二極管共同構(gòu)成。

（c）圖為R、C、TVS、VD 型鉗位電路，這種電路是由阻容吸收元件配合瞬態(tài)電壓抑制器和阻塞二極管共同構(gòu)成。

（d）圖為VDZ、R、C、VD 型鉗位電路，此種電路是由穩(wěn)壓二極管，阻容吸收元件以及阻塞二極管構(gòu)成。

有源鉗位電路的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。電路是由兩個電容和兩個MOS管組合而成。這種組成方式可以使開關(guān)電源的功率損耗大大地減少，提高了工作效率。

3 軟開關(guān)技術(shù)

影響開關(guān)電源整體效率的另一項(xiàng)因素是電源中的開關(guān)損耗，開關(guān)電源的頻率越大，開關(guān)損耗也隨著增加。為了降低這種損耗，現(xiàn)在越來越多地將軟開關(guān)諧振技術(shù)運(yùn)用到了高頻開關(guān)電源中。這種技術(shù)的特點(diǎn)是，開關(guān)管電流的波形近似地為正弦波，在電流為零時開關(guān)管斷開，在電壓為零時開關(guān)管導(dǎo)通。電壓和電流不會同時在管上存在，這樣就使開關(guān)損耗大大降低。軟開關(guān)技術(shù)的使用就在保證電源開關(guān)頻率的同時使開關(guān)的損耗降到了最低。

軟開關(guān)技術(shù)即在開關(guān)管改變狀態(tài)的時候使兩端的電流或者電壓的值為零，即實(shí)現(xiàn)開關(guān)管零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)。

在開關(guān)管導(dǎo)通的時刻，使管內(nèi)流過的電流值為零，或使電流的上升率保持在最低，或者在導(dǎo)通前使管兩端的電壓值變?yōu)榱?。這樣就可以使開關(guān)管能夠零電流導(dǎo)通或者零電壓導(dǎo)通，這兩種方法都能夠使開關(guān)管的電壓電流的交疊降到最低，有效降低開關(guān)損耗。理想的軟開關(guān)導(dǎo)通過程如圖3所示：

在開關(guān)管關(guān)斷的時刻，使管兩端的電流值為零，或使電壓的上升率保持在最低，或者在關(guān)斷前使管兩端的電壓值變?yōu)榱恪＿@樣就可以使開關(guān)管能夠零電壓關(guān)斷或者零電壓關(guān)斷，這兩種方法都能夠使開關(guān)管的電壓電流的交疊大大下降，有效降低開關(guān)損耗。理想的軟開關(guān)關(guān)斷過程如圖4所示：

4 功率因數(shù)較正技術(shù)

電路中往往用到很多電容濾波電路和二極管橋式整流電路，這些電路的使用會使得輸入波形發(fā)生很大的改變，由正弦波變成了很多尖峰脈沖的集合。而尖峰脈沖電流波形的出現(xiàn)會對供電電網(wǎng)產(chǎn)生干擾，使電源的利用率大大降低。功率因數(shù)較正技術(shù)能夠?qū)⑤斎腚娏鞑ㄐ握螢檎也ǎ⑴c輸入電網(wǎng)電壓同相。

5 模塊化設(shè)計(jì)

電源模塊采用集成電路技術(shù)，將控制IC，片狀電阻，超小型電解電容，電感等組裝一體。模塊化的電源比以往的整機(jī)電源更加輕巧簡單，但是電源的穩(wěn)定性更好，而且安裝和維修也較以往的整機(jī)電源更加方便快捷。

6 結(jié)論

在保證開關(guān)電源高頻率工作的前提下，有效降低功率損耗是當(dāng)今開關(guān)電源的一項(xiàng)重要的技術(shù)要求，而模塊化所具有的優(yōu)勢決定了其必然是電源發(fā)展的一個總體的趨勢。隨著我國電子行業(yè)的迅猛發(fā)展和電力電子技術(shù)的提高，開關(guān)電源也在得到不斷地改進(jìn)和發(fā)展，今后必將在各個行業(yè)發(fā)揮更加重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王素芹.電力電子技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009（8）.

[2] 趙爭鳴.電力電子技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)展熱點(diǎn)綜述[J].變頻器世界，2010（1）.

[3] Tsai-Fu Wu，Shih-An Liang.A Systematic Approach to Developing Single-Stage Soft Switching PWM Converters. Power Electronics，2001：581-593.