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    開關(guān)電源的發(fā)展

    發(fā)布時間: 2016-06-20 09:47:43    關(guān)注量:1601

      開關(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)來降低開關(guān)電源的體積重量。20世紀(jì)人們在提高開關(guān)電源功率密度方面做了不少工作。開關(guān)電源的小型化、減輕重量對便攜式電子設(shè)備(如移動電話、數(shù)碼相機(jī))尤為重要。為了實現(xiàn)開關(guān)電源高功率密度,必須提高PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器的工作頻率,從而減小電路中儲能元件的體積和重量。
     
      2)高頻電力電子技術(shù)
     
      1980年以前,開關(guān)電源中PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率為20~50 kHz,從1980年起,提高開關(guān)頻率成為減少開關(guān)電源尺寸的有效手段,同時 也改善了開關(guān)電源的動態(tài)性能?,F(xiàn)在⒛0~500 kHz已成為輸出100 W以下開關(guān)電源的標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)頻率。特殊制造的小功率開關(guān)電源,其開關(guān)頻率已 經(jīng)達(dá)到了幾兆赫。
     

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


      3)高效率和軟開關(guān)技術(shù)
     
      PWM開關(guān)電源按硬開關(guān)模式工作時,在開關(guān)過程中,功率開關(guān)器件的電壓和電流波形有交疊,因而開關(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,但開關(guān)頻率越高,開關(guān)損耗越大。為此,必須采取措施來提高高開關(guān)頻率DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率。人們研究了在開關(guān)過程中開關(guān)器件的電壓和電流波形不相交疊的技術(shù),即所謂零電壓開關(guān)(ZVS)和零電流開關(guān)(ZCS)技術(shù),總稱為軟開關(guān)技術(shù)(相對于PWM硬開關(guān)技術(shù)而言)。除了減小開關(guān)損耗以外,應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)還可以大大降低開關(guān)的噪聲,以及減小了開關(guān)電源對外界的電磁干擾。
     
      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)的同類產(chǎn)品重量下降40%。軟開關(guān)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用,提高了開關(guān)電源的效率。據(jù)說,最近國外小功率DC/DC轉(zhuǎn)換器開關(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 關(guān)電源模塊的效率可以達(dá)到92%~93%。⒛世紀(jì)末,國內(nèi)生產(chǎn)的通信用50~100 A輸出,全橋移相式ZVZCS-PWM開關(guān)電源模塊的效率超過93%。
     

      1994年2月,IEEE電力電子學(xué)會組織“功率轉(zhuǎn)換技術(shù)2000年展望專題研討會”,就DC/DC及AC/DC功率轉(zhuǎn)換器的發(fā)展趨勢與需求進(jìn)行討論。指出 “高功率密度DC/DC零電壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器”與開關(guān)器件的性能、無源元件的性能、封裝技術(shù)等有很大關(guān)系。并預(yù)測,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。事實證明,有的DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到了這個目標(biāo)。


      4)同步整流技術(shù)
     
      對于低電壓大電流輸出的開關(guān)電源,進(jìn)一步提高其效率的措施是:在應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上,以功率MOS管反接作為整流用開關(guān)二極管,稱為同步整流(Synchronous Rectifier,SR),用皿代替肖特基二極管(SBD)可以降低整流管壓降,從而提高開關(guān)電源的效率。有報道稱,應(yīng)用軟開關(guān)和同步整流技術(shù)的小功率DC/DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)電源,48/12V模塊的效率可以達(dá)到96%、48%/5V模塊的效率可以達(dá)到92%~93%。
     
      日本在一臺100 W的軟開關(guān)(ZVS)開關(guān)電源上試驗的結(jié)果是,用SBD的開關(guān)電源效率為83%,電路損耗(包括整流器件、變壓器、開關(guān)管、控制電路、濾波器等)為21W;而改用SR后的開關(guān)電源效率為90%,電路損耗為11W。
     
      5)壓電變壓器
     

      在高頻開關(guān)電源中,應(yīng)用壓電(Piezo-e1ectric)變壓器(簡稱PET)可以使開關(guān)電源實現(xiàn)輕、小、薄和高功率密度。例如,一臺DC/DC開關(guān)電源中的PET,其DC/DC轉(zhuǎn)換器輸人為有源鉗位ZVS逆變電路,產(chǎn)生梯形波交流電,經(jīng)過PET輸出給整流濾波電路。這里應(yīng)指明的是,PET不屬于磁元件的范圍。



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