开关电源高频化和软开关技术
开关电源高频化和软开关技术
近年来, 电力电子技术发展迅猛, 直流开关电源广泛应用于计算机、航空航天等领域。如今, 笨重型、低效电源装置已被小型、高效电源所取代。为了实现电源装置的高性能、高效率、高可靠性,减小体积和重量, 必须实现直流开关电源的高频化。直流开关电源的高频化不仅减小了功率变换器的体积, 增大了变换器的功率密度和性能价格比, 而且极大地提高了瞬时响应速度, 抑制了电源所产生的音频噪声, 从而已成为新的发展趋势。
然而功率变换器开关频率的进一步提高将受以下因素的限制: ①在通断瞬间切换过程中, 功率器件的开关应力。②开关损耗。③剧烈的d i/ d t 和d u/ d t 冲击及其产生的电磁干扰(EMI) 。
软开关技术是使功率变换器得以高频化的重要技术之一, 它应用谐振的原理, 使开关器件中的电流(或电压) 按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时, 使器件关断(或电压为零时, 使器件开通) , 从而减少开关损耗。它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题及二极管反向恢复问题, 而且还能解决由硬开关引起的EMI 等问题。
为此先后有人提出了谐振变换器( resonantconverter) , 准谐振变换器(quasi resonant converter)和多谐振变换器(muti resonant converter) , 零开关PWM 变换器(zero switching PWM converter) , 零转换PWM变换器(zero transition PWM converter) 及无源无损缓冲电路(passive lossless snubber circuit) 等多种软开关技术。
谐振变换器
谐振变换器实际上是直流开关电源负载谐振变换器, 在20世纪70 年代最早被提出来, 它通过在标准PWM变换器结构上简单地附加谐振网络的方法而得到。按照谐振元件的谐振方式, 可分为串联谐振变换器和并联谐振变换器两类; 按负载与谐振电路的连接关系, 又可分为串联负载谐振变换器和并联负载谐振变换器。其工作原理主要是通过谐振网络与负载的谐振, 使经过开关元件的电流或电压被整形为正弦波形, 开关元件在电流或电压的过零处开通或关断, 实现软开关过程。
准谐振变换器和多谐振变换器
20 世纪80 年代初, 美国弗吉尼亚电力电子中心(UPEC) 的李泽元教授等研究人员提出了谐振开关, 即在直流开关电源基本PWM 开关上增加一些谐振元件,它也是准谐振变换器中最关键的部分。根据开关管与谐振电感和谐振电容的不同结合, 谐振开关可分为零电流谐振开关和零电压谐振开关两类。零电流谐振开关是将谐振电感与PWM 开关串联, 利用电感中谐振电流过零点时, 使开关零电流关断; 零电压谐振开关是将谐振电容与PWM 开关并联, 利用电容两端谐振电压过零点时, 使开关零电压开通。它们各有L 型和M 型两种电路方式, 而且根据功率开关管是单向导通还是双向导通, 又可分为半波模式和全波模式
谐振开关实现了软开通或关断, 减少了开关损耗, 但其开关器件的通态电流或断态电压应力大。因开关器件工作频率不恒定, 为保持输出电压在各种条件下基本不变, 必须采用变频控制方法, 然而该控制方式比PWM变换器复杂, 而且变压器、电感等磁性元件要按最低频率设计, 实现最优设计困难。因此, 谐振开关一般应用在小功率低此外, 根据直流开关电源谐振软开关技术原理, 人们还提出过在PWM开关内综合准谐振零电流和准谐振零电压的多谐振开关, 它一般能实现开关管的零电压开关, 但还是只能采用频率控制方法。实际常常用零电压多谐振变换器, 主要是因为它吸收了开关管和整流二极管的结电容, 同时实现了开关管和整流二极管零电压开关, 而且它的开关管的电压应力与零电压准谐振相比要小得多。
零开关PWM变换器
零开关PWM 变换器包括零电压PWM 变换器和零电流PWM变换器, 它们是在准谐振软开关的基础上, 加入一个辅助开关管, 来控制谐振元件的谐振过程, 实现PWM 控制。它只利用谐振实现换相, 换相完毕后仍采用PWM 工作方式, 从而既能克服硬开关PWM 在开关过程中的三大缺陷, 又能保留硬开关PWM变换器的低稳态损耗和低稳态应力的优点。
文献1提出一种新颖的混合式全桥PWM变换器, 它不仅能在不增加导通损耗的情况下实现空载下ZVS 条件, 而且能使输入输出的滤波波形几乎为理想的, 从而减少了输入输出的滤波装置。
零转换PWM变换器
零转换PWM 变换器包括ZVT-PWM 变换器和ZCT-PWM变换器, 其谐振网络是与主开关并联的。
在直流开关电源开关转换期间, 并联的谐振网络产生谐振获得零开关条件。开关转换结束后, 电路又恢复到正常的PWM工作方式。因此, 零转换PWM变换器既克服了硬开关PWM和谐振技术的缺点, 又综合了它们的优点。为此, 该类变换器在中大功率场合得到广泛应用, 并具有如下优点: ①采用PWM 控制方式, 实现恒定频率控制。②辅助电路只是在开关管开关时工作, 其他时候不工作, 而且是与主功率回路相并联, 不需要处理很大的环流能量, 从而减小了辅助电路的损耗。③辅助电路的工作不会增加主开关管的电压和电流应力。
结束语
当开关频率增大到兆赫兹级范围, 被抑制的或低频时可忽视的开关应力和噪声, 将变得难以接受。谐振变换器虽能为开关提供零电压开关和零电流开关状态, 但工作中会产生较大的循环能量, 使导电损耗增大。为了在不增大循环能量的同时, 建立开关的软开关条件, 发展了许多软开关PWM 技术。它们使用某种形式的谐振软化开关转换过程,开关转换结束后又恢复到常规的PWM 工作方式,但它的谐振电感串联在主电路内, 因此零开关条件与电源电压、负载电流的变化范围有关, 在轻载下有可能失去零开关条件。为了改善零开关条件, 人们将谐振网络并联在主开关管上, 从而发展成零转换PWM 软开关变换器, 它既克服了硬开关PWM技术和谐振软开关技术的缺点, 又综合了它们的优点。目前无源无损缓冲电路将成为实现软开关的重要技术之一, 在直流开关电源中也得到了广泛的应用。
1）电力电子设备的小型化、轻量化和高功率密度化
电力电子设备的发展方向之一是小型化，降低其体积、重量，提高功率密度。例如，随着微处理器大规模集成电路（VLSI）尺寸的不断减小， 而供电电源的尺寸与微处理器相比却要大得多。因此，必须采取新的技术来降低开关电源的体积重量。20世纪人们在提高开关电源功率密度方 面做了不少工作。开关电源的小型化、减轻重量对便携式电子设备（如移动电话、数码相机）尤为重要。为了实现开关电源高功率密度，必须提 高PWM DC/DC转换器的工作频率，从而减小电路中储能元件的体积和重量。
2）高频电力电子技术
1980年以前，开关电源中PWM DC/DC转换器的开关频率为20～50 kHz，从1980年起，提高开关频率成为减少开关电源尺寸的最有效手段，同时 也改善了开关电源的动态性能。现在⒛0～500 kHz已成为输出100 W以下开关电源的标准开关频率。特殊制造的小功率开关电源，其开关频率已 经达到了几兆赫。
200W以下的小功率高频开关电源的DC/DC转换器做成标准模块，外形像一块砖。根据国际标准，按外形尺寸以砖（Brick）为标准单位分类。例 如，1/8砖、1/4砖、1/2砖（尺寸分别为0.8in×2.3in×0.36in、1.45in×2.3in×0.4in和2.4in×2.3in×0.4in）和全砖。2004年又推出了1/16砖的DC/DC转换器模块。
如表给出了20世纪70年代以后的30年，通信和计算机用开关电源DC/DC转换器高功率密度的发展进程。可见，高频化、高功率密度和高效率是 开关电源技术发展进步的重要标志。
换器的发展进程 src="https://www.dzsc.com/data/uploadfile/2008106104943933.gif" border=0﹥
如表 开关电源DC/DC[/url]转换器的发展进程
PWM开关电源按硬开关模式工作时，在开关过程中，功率开关器件的电压和电流波形有交叠，因而开关损耗大。高频化可以缩小感性元件和容 性元件的体积重量，但开关频率越高，开关损耗越大。为此，必须采取措施来提高高开关频率DC/DC转换器的效率。人们研究了在开关过程中开 关器件的电压和电流波形不相交叠的技术，即所谓零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）技术，总称为软开关技术（相对于PWM硬开关技术而言）。 除了减小开关损耗以外，应用软开关技术还可以大大降低开关的噪声，以及减小了开关电源对外界的电磁干扰。
20世纪90年代中期，30A/48V PWM DC/DC转换器采用移相全桥ZVS-PWM技术后，重7kg，比用PWM技术的同类产品重量下降40％。软开关技术的 开发和应用，提高了开关电源的效率。据说，最近国外小功率DC/DC转换器开关电源模块（48/12V）总效率可以达到96％；48/5V DC/DC转换器开 关电源模块的效率可以达到92％～93％。⒛世纪末，国内生产的通信用50～100 A输出，全桥移相式ZVZCS-PWM开关电源模块的效率超过93％。
1994年2月，IEEE电力电子学会组织“功率转换技术2000年展望专题研讨会”，就DC/DC及AC/DC功率转换器的发展趋势与需求进行讨论。指出 “高功率密度DC/DC零电压开关转换器”与开关器件的性能、无源元件的性能、封装技术等有很大关系。并预测，与1994年相比，到2000年，在 保证可靠性增强一倍的基础上，DC/DC转换器的成本将降低一半，功率密度可以提高一倍。事实证明，有的DC/DC转换器产品已经达到了这个目 标。
4）同步整流技术
对于低电压大电流输出的开关电源，进一步提高其效率的措施是：在应用软开关技术的基础上，以功率MOS管反接作为整流用开关二极管，称 为同步整流（Synchronous Rectifier，SR），用皿代替肖特基二极管（SBD）可以降低整流管压降，从而提高开关电源的效率。有报道称，应用软 开关和同步整流技术的小功率DC/DC转换器开关电源，48/12V模块的效率可以达到96％、48％/5V模块的效率可以达到92％～93％。
日本在一台100 W的软开关（ZVS）开关电源上试验的结果是，用SBD的开关电源效率为83％，电路损耗（包括整流器件、变压器、开关管、控制 电路、滤波器等）为21W；而改用SR后的开关电源效率为90％，电路损耗为11W。
5）压电变压器
在高频开关电源中，应用压电（Piezo-e1ectric）变压器（简称PET）可以使开关电源实现轻、小、薄和高功率密度。例如，一台DC/DC开关电源中 的PET，其DC/DC转换器输人为有源钳位ZVS逆变电路，产生梯形波交流电，经过PET输出给整流滤波电路。这里应指明的是，PET不属于磁元件的 范围。
压电变压器是利用压电陶瓷材料特有的电压一振动转换和振动一电压转换的性质传送电能的，其等效电路如同一个串并联谐振电路。它是功率 转换领域的研究热点之一，研究的内容包括：压电材料的损耗评估、PET设计计算方法，仿真、参数分析、有限元分析、振动速度极限、PET的 高频性能等。国内已经开发出50 W的PET。在高频DC/DC转换器中，PET的应用已有报道：如输出24 W、12 V的2 MHz DC/DC转换器（其中PET电压 变比为5:1），输出2W、1200V AC的口光灯电源（PET电压变比为1:20），冷阴极荧光灯和霓虹灯逆变器等。如图所示为DC/DC转换器中的压电变压 器，其输入为有源钳位ZVS逆变电路，产生梯形波交流电，输出为整流滤波电路，压电变压器如同串、并联谐振电路。
