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开关电源发展轨迹

2/14/2005来源:通信电源人气:16267

开关电源发展轨迹(察宣兰) 开关稳压电源(以下简称开关电源)取代晶体管线性稳压电源(以下简称线性电源) 已有30多年历史,最早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 晶体管了作于开关状态后来脉宽调制(PWM)控制技术有了发展,用以控制开关变换器, 得到PWM开关电源,它的特点是用20kHz脉冲频率或脉冲宽度调制一PWM开关电源效率可达 65~70%,而线性电源的效率只有30一40%。在发生世界性能源危机的年代,引起了人们 的广泛关往。线性电源工作于工频,因此用工作频率为20kHZ的PWM开关电源替代,可大幅 度节约能源,在电源技术发展史上誉为20kHZ革命。 随着ULSI芯片尺寸不断减小,电源的尺寸与微处理器相比要大得多;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要 小。此外要求开关电源效率要更高,性能更好,可靠性更高等。 我国开关电源历程 从我国开关电源的发展过程可以了解国际开关电源发展的一个侧面,虽然一般说来, 我国技术发展水平与国际先进水平平均有5~10年差距。 70年代起,我同在黑白电视机,中小型计算机中开始应用5V,20-200A,20kHZ AC- DC开关电源。80年代进入大规模生产和广泛应用阶段,并开发研究0.5~5MHz准谐振型软 开关电源。80年代中,我国通信(如程注交换机)电源在AC-DC及DC-DC开关电源应用 领域中所六比重还比较低。80年代末我国通信电源大规模更新换代,传统的铁磁稳压-整 流电源和晶闸管(Thyristor,原称可控硅元件)相控稳压电源为大功率(48V, 6kw) AC-DC开关电源(通信系统中常称为开关型整流器SMR)所持代;并开始在办公室自动化 设备中得到应用。工业应用方面,在锅炉火焰控制,继电保护,激光,彩色TV,离子管灯 丝发射电流调节,离子注射机,卤钨灯控制等系统中均有应用。 90年代我国又研制开发了一批新型专用非关电源,典型例子如下: 1.卫星开关电源。东方红三号通信卫星、风云一号、二号气象卫星均应用了开关电源。 特点是:多路输出,不可维修性,要求长期不改变性能,设置冗余模块,可靠性高,EMC 满足空间环境条件,高效,轻小。 2远程火箭控制系统的DC-DC开关电源,要求发射过程中高度可靠。 3 1000kW牵引变流器4500V/1200A GTO门控250W开关电源。 4 40kW固体脉冲激光器的软开关电源。用4台10kw全桥多谐振ZVS变换器并联。 5.焊机用双IGBT管正激车电压转换一脉定调制(ZVT-PWM)软开关电源。输出20kW, 500A,开关频率40kHZ,效率92%。特点是负载大范围变化频繁,工作环境恶劣。要求电 源冲击电流小,动态特性好,无过冲,负载个影响软开关性质。 6.变电所在流操作系统开关电源。供继电保护和自动装置及蓄电池充电用。代替晶 闸管调压系统,输出10A,180~286V。主开关管用IGBT或功率MOSFET。 7.单相和三相高功率因数整流器(有源功率同数校正器)。 可以看出20一30年中,我国开关电源的应用领域和技术性能有很大进展,这与因家 基础工业和国力增强有密切关系,也和国际先进开关电源技术影响有关。充分显示了中 国电源技术人员的聪明才智和艰苦奋斗的创业精神。 90年代,中小型(500W以下)AC-DC和DC-DC开关电源的特点是:高频化(开关频 率达300-400kHZ)以达到高功率密度,体小量轻;力求高效和高可靠;低成本;低输 出电压(≤3V;AC输入端高功率同数等。在今后5年内仍然将沿这些方向发展。 主要技术标志 从技术上看,几十年来推动开关电源性能和技术水平不断提高的本要标志是: 1.新型高频功率半导体器件的开发使实现开关电源高频化有了可能。 如功率MOSFET和IGBT已完全可代替功率晶体管和晶闸管,从而使中小型开关电源下 作频率可达到400kHZ(AC-DC)和1MHZ(DC-DC)的水平。超快恢复功率二极管,MOSF ET问步整流技术的开发也为高效低电压输出(例如3V)开关电源的研制有了可能。现正 在探索研制耐高温的高性能碳化砖功率来导体器件。 2.软开关技术使高效率高频开关变换器的实现有了可能。 PWM开关电源按硬开关模式工作(开/关过程中电压卜降/上升和电流上升/下降 波形有交叠),因而开关损耗大。开关电源高频化可以缩小体积重量,但开关损耗却 更大了(功耗与频率成正比)。为此必须研究开关电比/电流波形个交更的技术,即 所谓零电压(ZVS)/本电流(ZCS)开关技术,或称软开关技术(相对于PWM硬开关技 术而言),小功率软开关电源效率可提高到80一85%。 70年代谐报开关电源奠定了软开关技术的基础。以后新的软开关技术不断涌现, 如准谐振(80年代中)全桥移相ZVS-PWM,恒频ZVS-PWM/ZCS-PWM(80年代末)ZVS -PWM有源钳位;ZVT-PWM/ZCT-PWM(90年代初)全桥移相 ZV-ZCS-PWM(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%。 3.控制技术研究的进展。如电流型控制及多环控制,电荷控制,一周期控制,功率 因数控制,DSP控制;及相应专用集成控制芯片的研制成功等,使开关电源动态性能有 很大提高,电路也大幅度简化。 4.有源功率团数校正技术(APFC)的开发,提高了AC-DC开关电源功率因数。 由于输入端有整流一电容元件,AC-DC开关电源及一大类整流电源供电的电子设备 (如逆变器,UPS)等的电网测功率团数仅为0.65,80年代用APFC技术后可提高到0.95 ~0.99,既治理了电网的谐波“污染”,又提高了开关电源的整体效率。单相APFC是DC -DC开关变换器拓扑和功率因数控制技术的具体应用,而三相APFC则是三相PWM整流开 关拓扑和控制技术的结合。 5.磁性元件新型磁材料和新型变压器的开发。 如集成磁路,平面型磁心,超薄型(Low PRofile)变压器;以及新型变压器如压 电式,无磁心印制电路(PCB)变压器等,使开关电源的尺寸重量都可减少许多。 6.新型电容器和EMI滤波器技术的进步,使开关电源小型化并提高了EMC性能。 7.微处理器监控和开关电源系统内部通信技术的应用,提高了电源系统的可靠性。 90年代末又提出了新型开关电源的研制开发,这也是新世纪开关电源的发展远景。 如:用一级AC-DC开关变换器实现稳压或稳流,并具有功率因数校正功能,称为单管 单级(SingleSwitch Single Stage)或4S高功率因数AC-DC开关变换器;输出1V, 50A的低电压大电流DC-DC变换器,又称电压调节模块VRM,以适应下一代超快速微处 理器供电的需求;多通道(Multi-Channel或Multi-Phase)DC-DC开关变换器;网 络服务器(Server)的开关电源刊可携带式电子设备的高频开关电源等。 以上简要回顾了开关电源发展的历程和取得的业绩。相信进入21世纪后,开关电 源的理论与技术发展将会有更辉煌的成就,谨以此短文寄希望于我国跨世纪的青年电 源专家们。