通信用高頻開關電源技術的發(fā)展

1 通信用高頻開關電源技術的發(fā)展

通信用高頻開關電源技術的發(fā)展基本上可以體現(xiàn)在幾個方面：變換器拓撲、建模與仿真、數(shù)字化控制及磁集成。

1.1 變換器拓撲

軟開關技術、功率因數(shù)校正技術及多電平技術是近年來變換器拓撲方面的熱點。采用軟開關技術可以有效的降低開關損耗和開關應力，有助于變換器效率的提高;采用PFC技術可以提高AC/DC變換器的輸入功率因數(shù)，減少對電網(wǎng)的諧波污染;而多電平技術主要應用在通信電源三相輸入變換器中，可以有效降低開關管的電壓應力。同時由于輸入電壓高，采用適當?shù)能涢_關技術以降低開關損耗，是多電平技術將來的重要研究方向。

為了降低變換器的體積，需要提高開關頻率而實現(xiàn)高的功率密度，必須使用較小尺寸的磁性材料及被動元件，但是提高頻率將使MOSFET的開關損耗與驅動損耗大幅度增加，而軟開關技術的應用可以降低開關損耗。目前的通信電源工程應用最為廣泛的是有源鉗位ZVS技術、上世紀90年代初誕生的ZVS移相全橋技術及90年代后期提出的同步整流技術。

1.1.1 ZVS有源鉗位

有源箝位技術歷經(jīng)三代，且都申報了專利。第一代為美國VICOR公司的有源箝位ZVS技術，將DC/DC的工作頻率提高到1MHZ，功率密度接近200W/in3，然而其轉換效率未超過90%。為了降低第一代有源箝位技術的成本，IPD公司申報了第二代有源箝位技術專利，其采用P溝道MOSFET，并在變壓器二次側用于forward電路拓撲的有源箝位，這使產(chǎn)品成本減低很多。但這種方法形成的MOSFET的零電壓開關(ZVS)邊界條件較窄，而且PMOS工作頻率也不理想。為了讓磁能在磁芯復位時不白白消耗掉，一位美籍華人工程師于2001年申請了第三代有源箝位技術專利，其特點是在第二代有源箝位的基礎上將磁芯復位時釋放出的能量轉送至負載，所以實現(xiàn)了更高的轉換效率。它共有三個電路方案：其中一個方案可以采用N溝MOSFET，因而工作頻率可以更高，采用該技術可以將ZVS軟開關、同步整流技術都結合在一起，因而其實現(xiàn)了高達92%的效率及250W/in3以上的功率密度。

1.1.2 ZVS移相全橋

從20世紀90年代中期，ZVS移相全橋軟開關技術已廣泛地應用于中、大功率電源領域。該項技術在MOSFET的開關速度不太理想時，對變換器效率的提升起了很大作用，但其缺點也不少。第一個缺點是增加一個諧振電感，其導致一定的體積與損耗，并且諧振電感的電氣參數(shù)需要保持一致性，這在制造過程中是比較難控制的;第二個缺點是丟失了有效的占空比。此外，由于同步整流更便于提高變換器的效率，而移相全橋對二次側同步整流的控制效果并不理想。最初的PWMZVS移相全橋控制器，UC3875/9及UCC3895僅控制初級，需另加邏輯電路以提供準確的次極同步整流控制信號;如今最新的移相全橋PWM控制器如LTC1922/1、LTC3722-1/-2，雖然已增加二次側同步整流控制信號，但仍不能有效地達到二次側的ZVS/ZCS同步整流，但這是提高變換器效率最有效的措施之一。而LTC3722-1/-2的另一個重大改進是可以減小諧振電感的電感量，這不僅降低了諧振電感的體積及其損耗，占空比的丟失也所改進。

1.1.3 同步整流