任務五 開關電源的主要技術及發展趨勢

學習目標

◆ 熟悉開關電源的主要技術。

◆ 熟悉開關電源的發展趨勢。

一、開關電源的主要技術

開關電源處于電源技術的核心地位，它是在新型功率器件、新型電路拓撲不斷出現以及實際需求的推動下發展起來的。近20多年來開關電源技術得到了突飛猛進的發展，主要表現在以下幾個方面。

1.高頻化

隨著微處理器尺寸不斷減小，供電電源的尺寸與微處理器相比已相形見絀，迫切需要更加小型化、輕型化。為達到這一目的，必須提高開關電源的工作頻率。理論分析和實踐經驗表明，電器產品體積、重量隨供電頻率的升高而減小。當把頻率從50Hz提高到幾百kHz時，用電設備的體積、重量大大降低。這就是頻率提高數千倍為實現功率變換的開關電源帶來的直接效益。然而頻率越高，電磁兼容（EMC）問題越嚴重；印制電路板的布置變得更為復雜；功率器件、導線的自身參數對系統的影響增大。因此目前頻率不能達到很高（10MHz以上）。

2.新型高頻功率半導體器件及磁性材料

功率場效應管（MOSFET）、超快恢復功率二極管、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、無感電容、無感電阻、新型鐵氧體材料、納米軟磁金屬、靜電感應晶體管（SIT）等新型器件的出現，使得開關電源得以升級換代。如功率MOSFET和IGBT已完全可代替功率晶體管和中小電流的晶體管，使開關電源工作頻率可達到400kHz（AC-DC開關變換器）和1MHz（DC-DC開關變換器）。超快恢復功率二極管和MOSFET同步整流技術的開發，也為研制高效低電壓輸出（≤3.3V）的開關電源創造了條件。近幾年發展起來的高性能碳化硅（SiC）功率半導體器件，如SiC場效應管、SiC二極管等在高溫、高頻、大功率、高電壓、光電子及抗輻照等方面發揮巨大作用。

3.同步整流技術

理論和實驗表明，工作電壓越低，微處理器的工作頻率越高，能量損耗就越小。因此下一代微處理器的發展，要求更低輸出電壓（≤1V)的開關電源。為了提高微處理器的工作頻率，加快處理數據速度和處理的能力，同時又要求有足夠的能量以保證微處理器正常工作，這就要求電源在輸出足夠低的電壓的同時，還能夠輸出相當大的電流。未來的大電流可能達到100A的量級。倘若變換器的輸出端使用肖特基二極管整流，由于肖特基二極管的管壓降為0.35V，導致器件消耗的功率相當大。

同步整流技術的核心是用MOSFET代替肖特基二極管用于開關電源輸出端的整流。由于MOSFET完全導通時，導通電阻（R_dson）只有幾個mΩ，即使是在輸出電流很大的情況下，MOSFET器件損耗卻很小，因此變換效率將大大提高。

同步整流技術在低電壓大電流開關電源中應用最為廣泛，其驅動方式有自驅動和控制驅動兩種方式。其中控制驅動方式結構復雜、成本高、效率低，使用較少。自驅動又可分為電壓驅動和電流驅動兩種方式。電壓驅動方式適合于高頻工作，容易滿足高功率密度的要求，驅動簡單，只要滿足驅動電壓為8～10V，SR(同步整流管）就能完全導通。目前電壓驅動型的同步整流變換器在輸入電壓為48V、輸出電壓V_o=1.2V、輸出電流I_o=59.1A時，其效率可達82.5%。

電流驅動方式主要是利用電流變壓器來檢測同步整流管（SR)的電流的大小，根據電流方向產生驅動信號。當正向電流從SR的源極流向漏極時，SR柵極驅動信號開通；當反向電流從SR的漏極流向源極時，SR柵極驅動信號關閉。電流驅動方式的特點是：無論電壓高低，都能完全有效地驅動MOSFET，適于并聯運行。電流驅動方式的效率比電壓驅動方式高1%～2%。

4.軟開關和LLC諧振技術

如果PWM開關電源按硬開關模式工作，則在開關過程中，電壓和電流變化過程中將出現波形交疊，導致開關損耗大，而且隨著開關頻率的提高開關損耗更加增大。為此必須研究開關電壓和電流波形不交疊的技術，即所謂零電壓開關（ZVS）技術，或稱軟開關技術（相對于PWM硬開關技術而言）。以20世紀70年代出現的諧振軟開關技術為基礎，各種新型軟開關技術不斷涌現，如準諧振、全橋移相ZVS-PWM、恒頻ZVS-PWM、ZCS-PWM有源鉗位、ZVT-PWM、ZCT-PWM、全橋移相ZVS-ZCS-PWM、LLC諧振半橋等。軟開關和LLC諧振技術的開發和應用提高了開關電源的效率，最近國內外DC-DC開關電源模塊（48/12V）的總效率可達到96%。

5.控制技術

在開關電源的控制技術中，常用的控制方式有電流型控制、多環控制、電荷控制及單周期控制。其中電流型控制、多環控制已得到較普遍的應用；電荷控制及單周期控制使得開關電源動態性能有了很大的提高。下面將對這些控制技術分別加以闡述。

通常一個穩定的系統需要對輸出變量采用閉環控制，以使輸入電壓變化或負載電流變化時能夠及時調節輸出變量，并達到預期的動態響應。傳統的開關電源大多采用電壓型控制方式，即只對輸出電壓采樣，并作為反饋信號實現閉環控制，以穩定輸出電壓。在這個控制過程中，電感電流未參與控制，是獨立的變量。開關變換器可近似為二階系統，其中有兩個狀態變量，即輸出濾波電容的電壓和輸出濾波電感的電流。二階系統是一個有條件的穩定系統，只有對誤差放大器補償網絡進行精心設計和計算，才能保證系統穩定工作。由于開關電源的電流都要流經濾波電感，這將使濾波電容上的電壓信號對電流信號產生90°延遲。因此，僅采用輸出電壓反饋的閉環控制，其穩壓響應速度慢，穩定性差，甚至在大信號變化時會產生振蕩，導致功率器件損壞。

電流型控制方式是在保留了電壓型控制的輸出電壓反饋的基礎上，增加了電感電流反饋，而且這個電流反饋還可作為PWM控制變換器的斜坡函數，從而不再需要鋸齒波發生器，明顯地提高了系統的性能。由于電感電流的變化率di/dt直接跟隨輸入電壓和輸出電壓變化，系統穩定時電感電流的平均值正比于負載電流。在電壓反饋回路中，誤差放大器的輸出作為電流給定信號，與反饋的電感電流相比較，直接控制功率開關通斷的占空比，使功率開關的電流受電流給定信號的控制。電流型控制的優點是：①動態響應快、穩定性高；②輸出電壓精度高；③具有內在對功率開關電流的控制能力；④具有良好的并聯運行能力。目前，隨著電流型控制集成控制器的出現，電流型控制技術越來越多地被應用于實際的設計當中。

電流型控制包括：峰值電流型控制和平均電流型控制，后者是在前者的基礎上發展起來的，二者均為雙環控制系統，即一個電壓環和一個電流壞。峰值電流型控制的特點在于：在電流環中，它檢測的只是開關電流的峰值，而無補償環節。該控制方法僅適用于降壓式電路；平均電流型控制在電流環中引入了一個高增益的電流誤差放大器。電流誤差放大器的同相端電壓反映了參考電流的大小，檢測到的電感電流經電阻變換網絡，轉換為電壓信號送入電流誤差放大器的反相端。這種控制方式的特點是：①選取合適電路參數，可保證控制電路的穩定性和快速調節電感電流；②電感電流緊密跟蹤網側電壓波形，用較小電感即可使諧波電流含量大大降低；③不需要斜率補償，但為了保證可靠工作，在一定的開關頻率下需有環路增益限制；④抗噪能力強；⑤對各種不同的電路拓撲均有良好的控制效果。

電流型控制適用于非線性負載。如果負載是線性時，則采用多環控制效果比較好，在多環反饋控制結構中，一般是將電容電流波形反饋環作為內環，電容電壓波形反饋環作為外環，電容電壓有效值反饋環作為最外環。

電荷控制技術是最近提出的一種新型控制技術，其工作過程為：在第一開關周期的開始處，用定頻時鐘開通功率級的有源開關，對開關電流取樣和積分，當積分電容上的電壓達到控制電壓時，關閉功率開關，并同時開通另一輔助開關，使積分電容迅速放電，這一狀態一直維持到下一個時鐘脈沖出現。由于控制信號實際上為開關電流在下一個周期內的總電荷，因此稱為電荷控制，又因開關平均電流和開關電荷成正比，故又稱為開關電流平均值控制技術。在降壓及升降壓變換器中，開關電流即為輸入電流，所以電荷控制技術是功率因數校正控制的合適技術，它既可使輸入功率因數達到1，又可穩定輸出電壓，因此電荷控制技術作為一種新興技術將會得到快速發展和廣泛應用。

開關變換器是脈動的非線性動態系統，這種系統在合適的脈動控制下，具有快速的動態響應特點，它與線性反饋相比，受輸入電壓波動的影響很小。目前的大多數控制方法是先把模型方程線性化，再利用一個線性反饋回路來實現控制。一般的電壓反饋是通過改變控制脈沖的占空比來實現的，當輸入電壓變化時，占空比不會馬上改變，而是首先改變輸出信號，然后改變控制信號，最后才是改變占空比，對應的占空比變化才能使輸出信號向穩定的方向變化。這個過程要重復多次，才能達到穩定狀態。如果使用電流峰值控制，當控制脈沖的占空比大于0.5時，電路中有可能產生次諧波振蕩，所以通常在比較器的輸入端加一個諧波補償環節用來抑制次諧波振蕩。如果補償環節參數設計合適，則系統在一個周期內將不受輸入電壓波動的影響。由于電流的下降斜率是一個動態變化的時間函數，選擇一個與之相抵消的斜率是很困難的，而單周期控制可充分利用非線性這一優點，使得輸出不受輸入波動的影響，在一個周期內快速跟蹤控制參考量，達到穩定狀態。單周期控制主要是一個周期內控制開關變量的變化，使輸出跟隨控制參考量，且開關變量的輸出與輸入無關，只與參考電壓有關。

隨著數字處理技術的日益成熟，其優點也越來越明顯：便于計算機軟件控制；避免模擬信號傳遞過程中的波形畸變；抗干擾能力強；便于軟件調試；便于遙感遙測；也便于實現容錯技術。目前，PIC單片機、DSP、PLD器件價格下降，使得數字處理器在開關電源中的應用越來越廣泛，用數字控制技術取代模擬控制技術是開關電源發展的一個必然趨勢。

6.功率因數校正技術

為了在AC-DC變換器電路的輸出端得到一個較為平滑的直流輸出電壓，通常采用電容來濾波。正是由于整流二極管的非線性和電容的共同作用，使得輸入電流發生了畸變。如果去掉濾波電容，則輸出端的電流變為近似的正弦波，雖然提高了變壓器輸入側的功率因數并減少了輸入電流的諧波，但是整流電路的輸出不再是一個平穩的直流電壓，而是變成了脈動電壓。如果想要使輸入電流為正弦波，且輸出為平滑的直流電壓，則必須在整流電路和濾波電容之間加一個電路，即PFC（功率因數校正）電路。

為實現這一目標，可采用無源電路（不用可控開關)，也可采用有電源電路（用可控開關)。無源濾波電路技術主要是在整流橋和電容之間串聯一個電感，以增加二極管的導通時間，降低輸入電流的幅值，或者在交流側接入一個諧振濾波器，主要用來消除3次諧波。雖然無源電路方式簡單，但是電流的諧波仍然較大，并且要求負載為電抗性。鎮流技術是以熒光燈電子鎮流器提出的無源PFC，采用2個串聯電容作為濾波電容，適當配合幾只二極管，使得并聯電容充電、串聯電容放電，以增加整流二極管的導通角，改善輸入側的功率因數。其代價是直流母線電壓約在輸入電壓最大值的一半之間脈動。如果配上適當的高頻反饋，也能實現功率因數大于0.98。

有源功率因數校正技術主要是以輸入電壓為參考信號，控制輸入電流跟蹤參考信號，以實現輸入電流的低頻分量和輸入電壓為一個近似同頻同相的波形，以提高功率因數和抑制諧波；同時采用電壓反饋，使得輸出電壓為近似平滑的直流電壓。有源功率因數校正技術可分為直接電流控制和間接電流控制兩種。直接電流控制方法是用輸入電流與參考電流做比較，再利用輸出的電流誤差值控制開關動作。直接電流控制可分為：峰值電流控制、滯環控制和均值電流控制。峰值電流控制法由于次諧波振蕩問題導致功率因素校正難度加大，因此較少應用。滯環控制法的平均電流波形為純正弦波，屬于變頻控制方式。均值電流控制法實現簡單，控制效果好，是當前最為流行的控制方式。間接電流控制法則是利用控制輸入電感端電壓的幅值和相位使電感電流與輸入電壓同相，屬于幅值相位控制方式，該方法雖然控制電路簡單，由于對參數敏感，尚有待進一步研究。

目前，單相功率因數校正技術已是比較成熟的技術，而三相功率因數校正技術還處于研究階段。

7.Magamp后置調節器技術

20世紀80年代，由于高頻磁性材料，如非晶態軟磁合金、超微晶軟磁合金等材料的發展，在高頻（100kHz以上）開關電源中用高頻磁放大器（Magamp)，使得多路輸出成為可能。高頻磁放大器也稱為可控飽和電感（Controlled Saturation Inductor)，它可以作為其中一路輸出的電壓調節器（Output Regulator)，也稱為后置調節器（Post-Regulator)。其優點是：電磁兼容小、電路簡單、可靠性高、效率高，可較精確地調節輸出電壓，特別適合應用于輸出電流為1～幾十安的開關電源。

8.飽和電感技術

飽和電感（Saturation Inductor)是指帶鐵心（無氣隙）的線圈，其特點是，鐵心的飽和程度和電感量隨通過電流的大小而變化。如果鐵心的磁特性是理想的磁化曲線（呈矩形)，則飽和電感在工作時，類似于一個阻抗。在開關電源中，應用飽和電感可以吸收浪涌、抑制尖峰、消除寄生振蕩，當快速恢復整流管串聯時可減小整流管的損耗。

飽和電感主要用于移相全橋變換器中，主要用在以下幾個方面：①在移相全橋ZCS-PWM中作為諧振電感，從而擴大了輕載下開關電源滿足ZVS條件的范圍；②與開關電源的隔離變壓器二次側輸出整流管串聯，可消除二次寄生振蕩（Secondary Parasitic Ringing)，減少循環能量，并使移相全橋ZVS-PWM開關電源的占空比損失最小；③和電容一起串接在移相全橋ZCS-PWM變換器中，接在變壓器的一次側，使得超前臂開關管實現ZVS；當負載電流趨近于零時，電感阻止電流反向變化，創造了滯后臂開關管ZCS條件，從而實現了ZV-ZCS。

9.分布電源技術和并聯均流技術

分布電源技術（Distribute Power Technique)是將250～425V/48V DC-DC變換器產生的直流48V母線電壓，供電給負載板，再通過板上若干個并聯的薄型DC-DC變換器，將48V變換為負載所需的3.3～5V電壓。一般DC-DC變換器的功率密度達100W/in3、效率可達90%。分布電源技術適用于超高速集成電路（Very High Speed IC，VHSIC)組成的大型工作站（如圖像處理站)、大型數字電子交換系統等。其優點是：可降低48V母線上的電流和電壓降；容易實現n+1冗余，提高了可靠性；易于擴增負載容量；散熱好；瞬態響應好；減少電解電容器數量；可實現DC-DC變換器組件模塊化；易于使用插件連接；可在線更換失效模塊等。

10.集成化、模塊化技術

集成化是指采用多層厚膜襯底技術將元件和驅動邏輯集成到一塊芯片上，使之實現預期的功能。

模塊化是指功率器件以及單元電路的模塊化。由于開關頻率的提高，致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重，加大了器件承受的應力（毛刺電壓、電流）。為了提高系統可靠性，開關電源廠商開發了“用戶專用”功率模塊（ASPM）。這種模塊化技術不僅使得用戶使用方便靈活，更主要的是取消了傳統連線，把寄生參數降至最小，從而使器件的承受應力也降至最低，提高了開關的可靠性。

二、開關電源的發展趨勢

高頻化、小型化、模塊化、智能化和數字化是直流開關電源的發展方向。高頻化是小型化和模塊化的基礎，目前開關頻率為數百kHz至數MHz的開關電源已有使用。功率重量比或功率體積比是表征電源小型化的重要指標，80W/in3的開關電源早已上市，目前已向200W/in3發展。模塊化與小型化是緊密相關的，同時模塊化可顯著提高電源的可靠性和使用靈活性，簡化生產和使用。模塊電源的并聯、串聯和級聯既便于用戶使用，也便于生產。智能化是便于使用和維修的基礎，無人值守的電源機房、航空和航天電器電源系統等都要求高度智能化，以實現正常情況、故障應急情況和危急情況下對電源的自動管理。數字化是電源發展的必然趨勢。為數字系統供電，將來最好的方案無疑是數字控制的電源，它將給控制系統帶來更多的選擇并將促進控制技術的進步。實現開關電源的數字化，不僅使元器件數量大幅減少，也使開關電源的體積大幅度減小。