開關(guān)電源的研究發(fā)展綜述

刁明君

（青島大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，山東 青島266071）

0 引 言

20世紀(jì)六十年代，開關(guān)電源出現(xiàn)，由于當(dāng)時(shí)功率器件水平的限制，其開關(guān)頻率、轉(zhuǎn)換效率比較低。隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展和電路制造工藝水平的不斷提升，開關(guān)電源技術(shù)取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，高頻率開關(guān)、軟開關(guān)技術(shù)和集成化系統(tǒng)相繼出現(xiàn)。如今，開關(guān)電源的頻率已經(jīng)能夠達(dá)到數(shù)MHz，使其在諸多場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用。AC／DC變換器在開關(guān)電源中具有非常重要的地位，在許多電氣設(shè)備廣泛應(yīng)用。在AC／DC變換器發(fā)展的初期，其使用橋式整流作為輸入整流電路，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率較低，且不能去除電流中的高次諧波，對(duì)用電環(huán)境造成了影響。各界對(duì)這一方面高度關(guān)注，規(guī)定了功率大于75 W的開關(guān)電源都必須具有功率因數(shù)校正電路，以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，減少諧波污染。提高變換器的轉(zhuǎn)換效率需要不斷提高其功率密度，因此需要實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的高頻化。開關(guān)頻率的不斷提高，增加了開關(guān)管的開關(guān)損耗。LLC諧振變換器以其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)管的ZVS和整流二極管的ZCS等諸多優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。該變換器能夠利用ZVS和ZCS技術(shù)有效地減小開關(guān)損耗，提高開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率。

1 開關(guān)電源的分類

開關(guān)電源可以分為非隔離型和隔離型兩種。非隔離型開關(guān)電源包括三種電路：降壓型（Buck）、升壓型（Boost）和升降壓型（Buck－boost）。

（1）降壓型變換器可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓小于輸入電壓，其屬于單管非隔離直流變換器。在電路中由PWM信號(hào)對(duì)開關(guān)管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。開關(guān)管的導(dǎo)通與截止，使電感充放電，從而對(duì)負(fù)載供電。Q導(dǎo)通，D截止，L開始充電；Q截止，電感電壓反向，D導(dǎo)通，電感電流減小。和線性電源相比，該變換器能夠?qū)崿F(xiàn)較高效率且工作穩(wěn)定性好。

（2）升壓變換器可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓高于輸入電壓，也屬于單管非隔離直流變換器。在電路中由PWM信號(hào)對(duì)開關(guān)管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。開關(guān)管的導(dǎo)通與截止，使電感充放電，從而對(duì)負(fù)載供電。Q導(dǎo)通，L開始充電，C對(duì)Uout放電；Q截止，電感電感反向和電源串聯(lián)，對(duì)C充電和Uout供電。該變換器效率高、體積小，但是輸出紋波大，對(duì)噪聲不敏感。

（3）升降壓型電路既可以使輸出電壓高于輸入電壓，也可以使輸出電壓低于輸入電壓，其是升壓型電路和降壓型電路的串聯(lián)，也屬于隔離直流變換器。該變換器的輸出電壓與輸入電壓極性相反。當(dāng)Q1、Q2導(dǎo)通，L開始充電，二極管截止，C為Uout供電；當(dāng)Q1、Q2截止，電感電流減小，電感電壓反向，二極管導(dǎo)通。該變換器的輸入輸出電流紋波較大，驅(qū)動(dòng)電路較為復(fù)雜。

隔離電源是現(xiàn)在使用非常廣泛的一種電源，之所以做成隔離型結(jié)構(gòu)，主要是出于安全的考慮。隔離電源主要有以下幾種。

（1）反激式變換器一般用于小功率場(chǎng)合。該變換具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。其中變壓器可以做儲(chǔ)能元件使用，同時(shí)其具有寬輸入電壓范圍，在中小功率場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。不過由于其工作效率較低，在中大功率場(chǎng)合不能使用。

（2）正激式變換器一般用于寬電壓范圍、大電流場(chǎng)合，其與反激變換器的不同在于其不必在磁芯間留氣隙，同時(shí)其紋波電流較小。但是其電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高。

（3）全橋式變換器可以實(shí)現(xiàn)變壓器初級(jí)開關(guān)管的ZVS和次級(jí)整流二極管的ZCS，其工作效率較高。但是其使用元器件較多，電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)過程困難。

（4）半橋式變換器和全橋式變換器一樣能夠?qū)崿F(xiàn)變壓器初級(jí)開關(guān)管的ZVS和次級(jí)整流二極管的ZCS，但是其相對(duì)來說所使用的的元器件較少，電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。該變換器能夠得到較高的轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本和設(shè)計(jì)難度，得到了廣泛的應(yīng)用。

以上就是比較常用的一些開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中每個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)，需要結(jié)合實(shí)際情況作出選擇。

2 開關(guān)電源發(fā)展的幾個(gè)關(guān)注點(diǎn)

（1）功率半導(dǎo)體器件

應(yīng)用在開關(guān)電源上的功率器件包括IGBT器件和MOS器件。早期的IGBT的耐壓值都比較低，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，其耐壓值已經(jīng)達(dá)到很高。隨著新材料的出現(xiàn)和使用，例如SiC的功率MOS器件的使用，其具有耐高溫、高頻率等一系列的優(yōu)點(diǎn)。可以預(yù)見，在未來碳化硅材料將會(huì)得到大范圍的應(yīng)用。

（2）開關(guān)電源功率密度

如何提高開關(guān)電源的功率密度，使其在最小體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大性能一直是業(yè)界研究的目標(biāo)。提高開關(guān)電源的功率密度可以通過如下途徑：一是實(shí)現(xiàn)其高頻化；二是應(yīng)用壓電變壓器；三是采用新型電容，提高電容的單位能量密度。

（3）全數(shù)字化控制

全數(shù)字化控制和傳統(tǒng)的數(shù)模混合控制相比，在成本、體積、精度等一系列指標(biāo)上均具有優(yōu)越性。

（4）系統(tǒng)集成技術(shù)

電源系統(tǒng)的集成，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的高效化、成本低廉化，使電源系統(tǒng)更加可靠。

3 結(jié) 論

毫無疑問，開關(guān)電源的使用前景是十分光明的，隨著科研工作者對(duì)功率半導(dǎo)體研究的不斷深入，開關(guān)電源一定會(huì)多功能化，在不久得將來發(fā)揮更大的作用，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。