高频开关电源技术

开关电源的发展使电源摆脱了笨重、低效的变压线性电源，但是，随着电子技术的发展，很多设备都向便携式、微型化发展，这促使电源技术必须向高频化发展，研究表明，电源产品的体积，重量与供电频率的平方成反比。
 
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。
 
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。

如表 开关电源DC/DC转换器的发展进程

3）高效率和软开关技术
 
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。

如图 DC/DC转换器中的压电变压器