任务五 开关电源的主要技术及发展趋势
学习目标
◆ 熟悉开关电源的主要技术。
◆ 熟悉开关电源的发展趋势。
一、开关电源的主要技术
开关电源处于电源技术的核心地位，它是在新型功率器件、新型电路拓扑不断出现以及实际需求的推动下发展起来的。近20多年来开关电源技术得到了突飞猛进的发展，主要表现在以下几个方面。
1.高频化
随着微处理器尺寸不断减小，供电电源的尺寸与微处理器相比已相形见绌，迫切需要更加小型化、轻型化。为达到这一目的，必须提高开关电源的工作频率。理论分析和实践经验表明，电器产品体积、重量随供电频率的升高而减小。当把频率从50Hz提高到几百kHz时，用电设备的体积、重量大大降低。这就是频率提高数千倍为实现功率变换的开关电源带来的直接效益。然而频率越高，电磁兼容（EMC）问题越严重；印制电路板的布置变得更为复杂；功率器件、导线的自身参数对系统的影响增大。因此目前频率不能达到很高（10MHz以上）。
2.新型高频功率半导体器件及磁性材料
功率场效应管（MOSFET）、超快恢复功率二极管、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、无感电容、无感电阻、新型铁氧体材料、纳米软磁金属、静电感应晶体管（SIT）等新型器件的出现，使得开关电源得以升级换代。如功率MOSFET和IGBT已完全可代替功率晶体管和中小电流的晶体管，使开关电源工作频率可达到400kHz（AC-DC开关变换器）和1MHz（DC-DC开关变换器）。超快恢复功率二极管和MOSFET同步整流技术的开发，也为研制高效低电压输出（≤3.3V）的开关电源创造了条件。近几年发展起来的高性能碳化硅（SiC）功率半导体器件，如SiC场效应管、SiC二极管等在高温、高频、大功率、高电压、光电子及抗辐照等方面发挥巨大作用。
3.同步整流技术
理论和实验表明，工作电压越低，微处理器的工作频率越高，能量损耗就越小。因此下一代微处理器的发展，要求更低输出电压（≤1V)的开关电源。为了提高微处理器的工作频率，加快处理数据速度和处理的能力，同时又要求有足够的能量以保证微处理器正常工作，这就要求电源在输出足够低的电压的同时，还能够输出相当大的电流。未来的大电流可能达到100A的量级。倘若变换器的输出端使用肖特基二极管整流，由于肖特基二极管的管压降为0.35V，导致器件消耗的功率相当大。
同步整流技术的核心是用MOSFET代替肖特基二极管用于开关电源输出端的整流。由于MOSFET完全导通时，导通电阻（Rdson）只有几个mΩ，即使是在输出电流很大的情况下，MOSFET器件损耗却很小，因此变换效率将大大提高。
同步整流技术在低电压大电流开关电源中应用最为广泛，其驱动方式有自驱动和控制驱动两种方式。其中控制驱动方式结构复杂、成本高、效率低，使用较少。自驱动又可分为电压驱动和电流驱动两种方式。电压驱动方式适合于高频工作，容易满足高功率密度的要求，驱动简单，只要满足驱动电压为8～10V，SR(同步整流管）就能完全导通。目前电压驱动型的同步整流变换器在输入电压为48V、输出电压Vo=1.2V、输出电流Io=59.1A时，其效率可达82.5%。
电流驱动方式主要是利用电流变压器来检测同步整流管（SR)的电流的大小，根据电流方向产生驱动信号。当正向电流从SR的源极流向漏极时，SR栅极驱动信号开通；当反向电流从SR的漏极流向源极时，SR栅极驱动信号关闭。电流驱动方式的特点是：无论电压高低，都能完全有效地驱动MOSFET，适于并联运行。电流驱动方式的效率比电压驱动方式高1%～2%。
4.软开关和LLC谐振技术
如果PWM开关电源按硬开关模式工作，则在开关过程中，电压和电流变化过程中将出现波形交叠，导致开关损耗大，而且随着开关频率的提高开关损耗更加增大。为此必须研究开关电压和电流波形不交叠的技术，即所谓零电压开关（ZVS）技术，或称软开关技术（相对于PWM硬开关技术而言）。以20世纪70年代出现的谐振软开关技术为基础，各种新型软开关技术不断涌现，如准谐振、全桥移相ZVS-PWM、恒频ZVS-PWM、ZCS-PWM有源钳位、ZVT-PWM、ZCT-PWM、全桥移相ZVS-ZCS-PWM、LLC谐振半桥等。软开关和LLC谐振技术的开发和应用提高了开关电源的效率，最近国内外DC-DC开关电源模块（48/12V）的总效率可达到96%。
5.控制技术
在开关电源的控制技术中，常用的控制方式有电流型控制、多环控制、电荷控制及单周期控制。其中电流型控制、多环控制已得到较普遍的应用；电荷控制及单周期控制使得开关电源动态性能有了很大的提高。下面将对这些控制技术分别加以阐述。
通常一个稳定的系统需要对输出变量采用闭环控制，以使输入电压变化或负载电流变化时能够及时调节输出变量，并达到预期的动态响应。传统的开关电源大多采用电压型控制方式，即只对输出电压采样，并作为反馈信号实现闭环控制，以稳定输出电压。在这个控制过程中，电感电流未参与控制，是独立的变量。开关变换器可近似为二阶系统，其中有两个状态变量，即输出滤波电容的电压和输出滤波电感的电流。二阶系统是一个有条件的稳定系统，只有对误差放大器补偿网络进行精心设计和计算，才能保证系统稳定工作。由于开关电源的电流都要流经滤波电感，这将使滤波电容上的电压信号对电流信号产生90°延迟。因此，仅采用输出电压反馈的闭环控制，其稳压响应速度慢，稳定性差，甚至在大信号变化时会产生振荡，导致功率器件损坏。
电流型控制方式是在保留了电压型控制的输出电压反馈的基础上，增加了电感电流反馈，而且这个电流反馈还可作为PWM控制变换器的斜坡函数，从而不再需要锯齿波发生器，明显地提高了系统的性能。由于电感电流的变化率di/dt直接跟随输入电压和输出电压变化，系统稳定时电感电流的平均值正比于负载电流。在电压反馈回路中，误差放大器的输出作为电流给定信号，与反馈的电感电流相比较，直接控制功率开关通断的占空比，使功率开关的电流受电流给定信号的控制。电流型控制的优点是：①动态响应快、稳定性高；②输出电压精度高；③具有内在对功率开关电流的控制能力；④具有良好的并联运行能力。目前，随着电流型控制集成控制器的出现，电流型控制技术越来越多地被应用于实际的设计当中。
电流型控制包括：峰值电流型控制和平均电流型控制，后者是在前者的基础上发展起来的，二者均为双环控制系统，即一个电压环和一个电流坏。峰值电流型控制的特点在于：在电流环中，它检测的只是开关电流的峰值，而无补偿环节。该控制方法仅适用于降压式电路；平均电流型控制在电流环中引入了一个高增益的电流误差放大器。电流误差放大器的同相端电压反映了参考电流的大小，检测到的电感电流经电阻变换网络，转换为电压信号送入电流误差放大器的反相端。这种控制方式的特点是：①选取合适电路参数，可保证控制电路的稳定性和快速调节电感电流；②电感电流紧密跟踪网侧电压波形，用较小电感即可使谐波电流含量大大降低；③不需要斜率补偿，但为了保证可靠工作，在一定的开关频率下需有环路增益限制；④抗噪能力强；⑤对各种不同的电路拓扑均有良好的控制效果。
电流型控制适用于非线性负载。如果负载是线性时，则采用多环控制效果比较好，在多环反馈控制结构中，一般是将电容电流波形反馈环作为内环，电容电压波形反馈环作为外环，电容电压有效值反馈环作为最外环。
电荷控制技术是最近提出的一种新型控制技术，其工作过程为：在第一开关周期的开始处，用定频时钟开通功率级的有源开关，对开关电流取样和积分，当积分电容上的电压达到控制电压时，关闭功率开关，并同时开通另一辅助开关，使积分电容迅速放电，这一状态一直维持到下一个时钟脉冲出现。由于控制信号实际上为开关电流在下一个周期内的总电荷，因此称为电荷控制，又因开关平均电流和开关电荷成正比，故又称为开关电流平均值控制技术。在降压及升降压变换器中，开关电流即为输入电流，所以电荷控制技术是功率因数校正控制的合适技术，它既可使输入功率因数达到1，又可稳定输出电压，因此电荷控制技术作为一种新兴技术将会得到快速发展和广泛应用。
开关变换器是脉动的非线性动态系统，这种系统在合适的脉动控制下，具有快速的动态响应特点，它与线性反馈相比，受输入电压波动的影响很小。目前的大多数控制方法是先把模型方程线性化，再利用一个线性反馈回路来实现控制。一般的电压反馈是通过改变控制脉冲的占空比来实现的，当输入电压变化时，占空比不会马上改变，而是首先改变输出信号，然后改变控制信号，最后才是改变占空比，对应的占空比变化才能使输出信号向稳定的方向变化。这个过程要重复多次，才能达到稳定状态。如果使用电流峰值控制，当控制脉冲的占空比大于0.5时，电路中有可能产生次谐波振荡，所以通常在比较器的输入端加一个谐波补偿环节用来抑制次谐波振荡。如果补偿环节参数设计合适，则系统在一个周期内将不受输入电压波动的影响。由于电流的下降斜率是一个动态变化的时间函数，选择一个与之相抵消的斜率是很困难的，而单周期控制可充分利用非线性这一优点，使得输出不受输入波动的影响，在一个周期内快速跟踪控制参考量，达到稳定状态。单周期控制主要是一个周期内控制开关变量的变化，使输出跟随控制参考量，且开关变量的输出与输入无关，只与参考电压有关。
随着数字处理技术的日益成熟，其优点也越来越明显：便于计算机软件控制；避免模拟信号传递过程中的波形畸变；抗干扰能力强；便于软件调试；便于遥感遥测；也便于实现容错技术。目前，PIC单片机、DSP、PLD器件价格下降，使得数字处理器在开关电源中的应用越来越广泛，用数字控制技术取代模拟控制技术是开关电源发展的一个必然趋势。
6.功率因数校正技术
为了在AC-DC变换器电路的输出端得到一个较为平滑的直流输出电压，通常采用电容来滤波。正是由于整流二极管的非线性和电容的共同作用，使得输入电流发生了畸变。如果去掉滤波电容，则输出端的电流变为近似的正弦波，虽然提高了变压器输入侧的功率因数并减少了输入电流的谐波，但是整流电路的输出不再是一个平稳的直流电压，而是变成了脉动电压。如果想要使输入电流为正弦波，且输出为平滑的直流电压，则必须在整流电路和滤波电容之间加一个电路，即PFC（功率因数校正）电路。
为实现这一目标，可采用无源电路（不用可控开关)，也可采用有电源电路（用可控开关)。无源滤波电路技术主要是在整流桥和电容之间串联一个电感，以增加二极管的导通时间，降低输入电流的幅值，或者在交流侧接入一个谐振滤波器，主要用来消除3次谐波。虽然无源电路方式简单，但是电流的谐波仍然较大，并且要求负载为电抗性。镇流技术是以荧光灯电子镇流器提出的无源PFC，采用2个串联电容作为滤波电容，适当配合几只二极管，使得并联电容充电、串联电容放电，以增加整流二极管的导通角，改善输入侧的功率因数。其代价是直流母线电压约在输入电压最大值的一半之间脉动。如果配上适当的高频反馈，也能实现功率因数大于0.98。
有源功率因数校正技术主要是以输入电压为参考信号，控制输入电流跟踪参考信号，以实现输入电流的低频分量和输入电压为一个近似同频同相的波形，以提高功率因数和抑制谐波；同时采用电压反馈，使得输出电压为近似平滑的直流电压。有源功率因数校正技术可分为直接电流控制和间接电流控制两种。直接电流控制方法是用输入电流与参考电流做比较，再利用输出的电流误差值控制开关动作。直接电流控制可分为：峰值电流控制、滞环控制和均值电流控制。峰值电流控制法由于次谐波振荡问题导致功率因素校正难度加大，因此较少应用。滞环控制法的平均电流波形为纯正弦波，属于变频控制方式。均值电流控制法实现简单，控制效果好，是当前最为流行的控制方式。间接电流控制法则是利用控制输入电感端电压的幅值和相位使电感电流与输入电压同相，属于幅值相位控制方式，该方法虽然控制电路简单，由于对参数敏感，尚有待进一步研究。
目前，单相功率因数校正技术已是比较成熟的技术，而三相功率因数校正技术还处于研究阶段。
7.Magamp后置调节器技术
20世纪80年代，由于高频磁性材料，如非晶态软磁合金、超微晶软磁合金等材料的发展，在高频（100kHz以上）开关电源中用高频磁放大器（Magamp)，使得多路输出成为可能。高频磁放大器也称为可控饱和电感（Controlled Saturation Inductor)，它可以作为其中一路输出的电压调节器（Output Regulator)，也称为后置调节器（Post-Regulator)。其优点是：电磁兼容小、电路简单、可靠性高、效率高，可较精确地调节输出电压，特别适合应用于输出电流为1～几十安的开关电源。
8.饱和电感技术
饱和电感（Saturation Inductor)是指带铁心（无气隙）的线圈，其特点是，铁心的饱和程度和电感量随通过电流的大小而变化。如果铁心的磁特性是理想的磁化曲线（呈矩形)，则饱和电感在工作时，类似于一个阻抗。在开关电源中，应用饱和电感可以吸收浪涌、抑制尖峰、消除寄生振荡，当快速恢复整流管串联时可减小整流管的损耗。
饱和电感主要用于移相全桥变换器中，主要用在以下几个方面：①在移相全桥ZCS-PWM中作为谐振电感，从而扩大了轻载下开关电源满足ZVS条件的范围；②与开关电源的隔离变压器二次侧输出整流管串联，可消除二次寄生振荡（Secondary Parasitic Ringing)，减少循环能量，并使移相全桥ZVS-PWM开关电源的占空比损失最小；③和电容一起串接在移相全桥ZCS-PWM变换器中，接在变压器的一次侧，使得超前臂开关管实现ZVS；当负载电流趋近于零时，电感阻止电流反向变化，创造了滞后臂开关管ZCS条件，从而实现了ZV-ZCS。
9.分布电源技术和并联均流技术
分布电源技术（Distribute Power Technique)是将250～425V/48V DC-DC变换器产生的直流48V母线电压，供电给负载板，再通过板上若干个并联的薄型DC-DC变换器，将48V变换为负载所需的3.3～5V电压。一般DC-DC变换器的功率密度达100W/in3、效率可达90%。分布电源技术适用于超高速集成电路（Very High Speed IC，VHSIC)组成的大型工作站（如图像处理站)、大型数字电子交换系统等。其优点是：可降低48V母线上的电流和电压降；容易实现n+1冗余，提高了可靠性；易于扩增负载容量；散热好；瞬态响应好；减少电解电容器数量；可实现DC-DC变换器组件模块化；易于使用插件连接；可在线更换失效模块等。
10.集成化、模块化技术
集成化是指采用多层厚膜衬底技术将元件和驱动逻辑集成到一块芯片上，使之实现预期的功能。
模块化是指功率器件以及单元电路的模块化。由于开关频率的提高，致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，加大了器件承受的应力（毛刺电压、电流）。为了提高系统可靠性，开关电源厂商开发了“用户专用”功率模块（ASPM）。这种模块化技术不仅使得用户使用方便灵活，更主要的是取消了传统连线，把寄生参数降至最小，从而使器件的承受应力也降至最低，提高了开关的可靠性。
二、开关电源的发展趋势
高频化、小型化、模块化、智能化和数字化是直流开关电源的发展方向。高频化是小型化和模块化的基础，目前开关频率为数百kHz至数MHz的开关电源已有使用。功率重量比或功率体积比是表征电源小型化的重要指标，80W/in3的开关电源早已上市，目前已向200W/in3发展。模块化与小型化是紧密相关的，同时模块化可显著提高电源的可靠性和使用灵活性，简化生产和使用。模块电源的并联、串联和级联既便于用户使用，也便于生产。智能化是便于使用和维修的基础，无人值守的电源机房、航空和航天电器电源系统等都要求高度智能化，以实现正常情况、故障应急情况和危急情况下对电源的自动管理。数字化是电源发展的必然趋势。为数字系统供电，将来最好的方案无疑是数字控制的电源，它将给控制系统带来更多的选择并将促进控制技术的进步。实现开关电源的数字化，不仅使元器件数量大幅减少，也使开关电源的体积大幅度减小。