高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)

開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展使電源擺脫了笨重、低效的變壓線性電源，但是，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，很多設(shè)備都向便攜式、微型化發(fā)展，這促使電源技術(shù)必須向高頻化發(fā)展，研究表明，電源產(chǎn)品的體積，重量與供電頻率的平方成反比。

1）電力電子設(shè)備的小型化、輕量化和高功率密度化

電力電子設(shè)備的發(fā)展方向之一是小型化，降低其體積、重量，提高功率密度。例如，隨著微處理器大規(guī)模集成電路（VLSI）尺寸的不斷減小，而供電電源的尺寸與微處理器相比卻要大得多。因此，必須采取新的技術(shù)來(lái)降低開(kāi)關(guān)電源的體積重量。20世紀(jì)人們?cè)谔岣?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/開(kāi)關(guān)">開(kāi)關(guān)電源功率密度方面做了不少工作。開(kāi)關(guān)電源的小型化、減輕重量對(duì)便攜式電子設(shè)備（如移動(dòng)電話、數(shù)碼相機(jī)）尤為重要。為了實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源高功率密度，必須提高PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器的工作頻率，從而減小電路中儲(chǔ)能元件的體積和重量。

2）高頻電力電子技術(shù)

1980年以前，開(kāi)關(guān)電源中PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率為20～50 kHz，從1980年起，提高開(kāi)關(guān)頻率成為減少開(kāi)關(guān)電源尺寸的最有效手段，同時(shí) 也改善了開(kāi)關(guān)電源的動(dòng)態(tài)性能。現(xiàn)在⒛0～500 kHz已成為輸出100 W以下開(kāi)關(guān)電源的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)關(guān)頻率。特殊制造的小功率開(kāi)關(guān)電源，其開(kāi)關(guān)頻率已 經(jīng)達(dá)到了幾兆赫。

如表給出了20世紀(jì)70年代以后的30年，通信和計(jì)算機(jī)用開(kāi)關(guān)電源DC/DC轉(zhuǎn)換器高功率密度的發(fā)展進(jìn)程。可見(jiàn)，高頻化、高功率密度和高效率是 開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的重要標(biāo)志。

如表 開(kāi)關(guān)電源DC/DC轉(zhuǎn)換器的發(fā)展進(jìn)程

3）高效率和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

PWM開(kāi)關(guān)電源按硬開(kāi)關(guān)模式工作時(shí)，在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，功率開(kāi)關(guān)器件的電壓和電流波形有交疊，因而開(kāi)關(guān)損耗大。高頻化可以縮小感性元件和容性元件的體積重量，但開(kāi)關(guān)頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗越大。為此，必須采取措施來(lái)提高高開(kāi)關(guān)頻率DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率。人們研究了在開(kāi)關(guān)過(guò)程中開(kāi)關(guān)器件的電壓和電流波形不相交疊的技術(shù)，即所謂零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）和零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）技術(shù)，總稱為軟開(kāi)關(guān)技術(shù)（相對(duì)于PWM硬開(kāi)關(guān)技術(shù)而言）。除了減小開(kāi)關(guān)損耗以外，應(yīng)用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)還可以大大降低開(kāi)關(guān)的噪聲，以及減小了開(kāi)關(guān)電源對(duì)外界的電磁干擾。

20世紀(jì)90年代中期，30A/48V PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器采用移相全橋ZVS-PWM技術(shù)后，重7kg，比用PWM技術(shù)的同類(lèi)產(chǎn)品重量下降40％。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，提高了開(kāi)關(guān)電源的效率。據(jù)說(shuō)，最近國(guó)外小功率DC/DC轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)電源模塊（48/12V）總效率可以達(dá)到96％；48/5V DC/DC轉(zhuǎn)換器開(kāi) 關(guān)電源模塊的效率可以達(dá)到92％～93％。⒛世紀(jì)末，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的通信用50～100 A輸出，全橋移相式ZVZCS-PWM開(kāi)關(guān)電源模塊的效率超過(guò)93％。

1994年2月，IEEE電力電子學(xué)會(huì)組織“功率轉(zhuǎn)換技術(shù)2000年展望專(zhuān)題研討會(huì)”，就DC/DC及AC/DC功率轉(zhuǎn)換器的發(fā)展趨勢(shì)與需求進(jìn)行討論。指出 “高功率密度DC/DC零電壓開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器”與開(kāi)關(guān)器件的性能、無(wú)源元件的性能、封裝技術(shù)等有很大關(guān)系。并預(yù)測(cè)，與1994年相比，到2000年，在保證可靠性增強(qiáng)一倍的基礎(chǔ)上，DC/DC轉(zhuǎn)換器的成本將降低一半，功率密度可以提高一倍。事實(shí)證明，有的DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到了這個(gè)目標(biāo)。