对开关电源发展概述、关键技术、未来趋势的解析

1 发展概况

开关电源被誉为高效节能电源,它代表着稳压电源的发展方向,现已成为稳压电源的主流产品。对于不同的设备应用,开关电源分2类:(1)中、小功率的开关电源;(2)大功率的开关电源。中、小功率的开关电源,一般采用开关电源模块的形式;而大功率开关电源,一般采用分立元件或控制模块一起制成。对于大功率开关电源的核心单元,1977年国外首先研制成脉宽调制(PWM)控制器集成电路,典型产品如MC3250、SG3524、UC3842:20世纪90年代以来,国外又研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM(脉冲频率调制)芯片,典型产品如UC3842、UC1864等;对于对中、21、功率开关电源的单片集成化,大致分2个阶段:20世纪80年代初意一法半导体有限公司(SCS-Thomson)首先推出的L4960系列单片开关式稳压器;20世纪90年代该公司又推出了L4970A系列。其特点是将脉宽调制器、功率输出极、保护电路等集成在一个芯片上,使用时需配工频变压器与电网隔离,适用于制作低压输出(5.1-40V)、大中功率(400W以下)、大电流(1.5-10A)、高效率(可超过90%)的开关电源,但从本质上讲,它仍属于DC用C电源变换器。1994年,美国动力(POWER)公司在世界上首先研制成功三端隔离式脉宽调制型单片开关电源,被人们称为“顶级开关电源”。其第1代产品是TOPSwitch系列,第2代产品是1997年的TOPSwitch-n系列。该公司于1995年又推出了高效、低功率、低价格的四端单片开关电源系列;1999年Motorola公司又推出MC33370系列五端单片开关电源,也称为高压功率开关调节器(HighvoltagePowerSwitchRegulator)。目前,单片开关电源已形成4大系列、近70种型号的产品。

国内开关电源自主研发及生产厂家有300多家,形成规模的有十多家。一些公司如中电华星自主开发的电源系列产品已获得广泛认同,在电源市场竞争中颇具优势,并有少量开始出口;高等院校开发的开关电源有西北工业大学等,都有一定的技术优势,其中西北工业大学开发的高性能通信开关电源是比较好的产品。

2.开关电源的关键技术

2.1开关电源工作原理

开关电源主要是指利用各类新型自关断器件并通过变换技术制成的高频开关式直流稳压电源。它的形式有很多种,其中尤以脉冲宽度调制型(PWM)最为盛行,现在就着重介绍一下此种形式的开关电源。

采用PWM技术的开关电源原理结构如图1所示,从电网将能量传递给负载工频电网交流电压经过输入整流滤波电路,得到高纹波未调直流电压,再经功率转换电路,变换成符合要求的矩形波脉动电压,最后经输出整流滤波电路将其平滑成连续的低纹波直流电压。

控制回路在提供高压开关T管基极驱动脉冲的同时,需要完成输出电压稳压的控制,而且还必须能对电源或负载提供保护。它通常由检测比较放大电路、电压一脉冲宽度转换电路(V/W电路)、时钟振荡电路、基极驱动电路、过压过流保护电路,以及自用电压源等基本电路构成。

称为时钟振荡器,这种电源利用检测电路反映输出电压值,通过和给定参考电压比较产生误差信号,再经V/W电路调制脉冲宽度以调节输出电压。

2.2关键技术

1.高频开关技术电源开关频率越高，所需要的变压器及滤波电容的容量就越小。这是减小开关电源的体积和重量的根本手段。但提高开关频率会增加开关损耗及无源元件的损耗，还会产生电磁干扰问题，而且，开关频率越高，对开关器件的要求就越高，这将会降低电源的可靠性，并增加电源的成本。

2.软开关技术

为了解决提高开关频率带来的种种不利影响，目前通常采用软开关技术，包括无源无损(吸收网络)软开关技术，有源软开关技术，如ZVS/ZCS谐振、准谐振、恒频软开关技术(ZVS/ZCS-PWM)，以及零电压、零电流转换(ZVT/ZCT-PWM)技术等。由于软开关技术可以有效的减少开关损耗及开关应力，达到提高效率、增加可靠性的目的，因此，软开关技术是最近几年电力电子领域研究的热点之一。

3.功率因数校正技术

提高开关电源输人端功率因数，可以降低电源的无功损耗，减少电源对电网的谐波污染。由于开关电源在各个领域内都得到广泛应用，大量的开关电源同时使用时，将会对电网造成严重的影响。因此，采用功率因数校正技术是今后开关电源发展的趋势，输人端功率因数是衡量开关电源质量的一个重要参数。

4.智能化技术

目前国外的通信系统普遍采用集中监控分散供电方式(集散式户)，国内也在发展这种供电方式。集散式供电方式具有可靠性高、电缆损耗小、承受故障能力强的优点，但相对集中式供电系统来说，日常维护不方便。因此，采用智能化技术来实现无人值守，可以充分发挥集散式供电系统的优点，取得明显的经济效益。高频开关电源智能化技术包括通讯、故障诊断、控制等方面的技术，智能化是高频开关电源的发展趋势。

3.开关电源的未来趋势

3.1高频化

高频化是目前开关电源技术发展的主要方向之一，也是高频开关整流器发展的主要趋势之一。但随着开关频率的提高，功率器件的开关损耗将成比例地增加。所以在开关颇率较高时，需采取非常有效的“软化”措施，尽可能降低器件的开关损耗。目前比较流行的方法是采用有源软开关技术，如谐振技术、准谐振(或多谐振)技术、ZCS-PWM(或ZVS-PWM)技术及ZCT-PWM(或ZVT-PWM)技术等。另一种较实用的方法是采用无源无耗软开关技术，即采用无源器件(L，C，D等)构成独特的(专利的)电路网络，对功率开关实现无损耗级冲。

3.2模块化

模块式结构除了具有很强的适应性外，还有一些很重要的优点，如:系统初始投资少、扩容非常方便、安装运输方便、冗余方式工作额外投入很少、维护快捷方便等。目前绝大多数通信电源厂家均采用模块化设计叫，并已形成系列化，其单体整流器模块

电流多数为5A,10A, 30A, 50A,100A, 200A等。而在通信领域包括移动通信等大量使用的整流器模块为30A, 50A,lOOA，可组成150A, 300A, 600A,1000A等各类功率等级的直流系统，主要应用于电子大型电话局、移动通信基站等。

3.3智能化

智能化是现代通信系统对其基础供电电源高标准要求的必然结果，是新型单片机技术在开关电源领域应用的完美体现。目前多数通信电源厂家已成功地将单片机技术应用于高频开关整流器模块及监控模块之中，并通过RS232，RS422等标准通信口及MODEM等与微型计算机连接起来，实现“三遥”功能，并最终通过公用电话网或通信专网将不同区域内，甚至是世界范围的电源系统连接起来，实施大面积集中监控，满足了现代通信系统的高标准、高可靠的要求，达到了智能化的目的。

3.4标准化

目前高频开关整流器产品在设计时需满足的标准，除自身规范要求外，主要有电磁兼容标准和安全标准两种。国际上有关组织及国内相关部门都积极制定了各种电磁兼容标准，各电源厂家都已经或正在为自己的产品满足这些标准的要求做准备，以实现产品的“绿色化”。国内外都制定了相应的安全标准，实施了各种安全认证，如欧洲有“CE”，标志认证，中国有“长城”标志认证等。标准化是产品质量改善及国际化发展趋势的需要。

4.结语

随着技术的进步，特别是功率器件的更新换代，功率变换技术的不断改进，新型电磁材料的不断使用，控制方法的不断改进，以及相关学科的技术不断发展，开关电源已经成为多学科技术相融合的产物。

目前，国内生产的通信高频开关电源在功能上已经接近国外产品，但在性能上还存在差距，主要表现在可靠性、稳定性不够高。缺乏系统化、模块化、工程化的设计方法和必要的仿真手段，是导致系统不能很好工作的原因。总之,开关电源的发展方向是:（1）频率要高，这样动态响应才快,也是配合高速微处理器必须的；（2）体积要减小，变压器、电感、电容都要减小体积；（3）效率要高，产生的热能减少，散热容易,容易达到高功率密度，进而制造出超大功率的高频开关电源；（4）电源系统的高度集成化。

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