开关电源的新技术与发展前景

陈天乐

（海军驻南京九二四厂军事代表室，江苏 南京211100）

开关电源具有重量轻、体积小、能耗低，整机效率高等特点，因此得到了广泛应用。文中论述了开关电源的新技术及其发展前景。

1 开关电源的新技术

1.1 高频化

随着微处理器尺寸越来越小，电源的尺寸已不能满足其需求，迫切需要电源的结构紧凑，重量更轻。为了实现这一目标，开关电源工作频率的提高是关键。根据理论与实践得知电气产品的体积、重量与频率的增加成反比。频率从50 Hz升高到几百或几千Hz时，电器设备的尺寸和重量可明显变小。但是频率越高，电磁兼容性（EMC）问题越突出；PCB板的结构变得相当复杂，功率器件、导线的参数等对系统会有较大影响，所以频率不能无限高。

1.2 集成化和模块化

集成化指在一块芯片上使用多层厚膜衬底技术安装元件和驱动逻辑，达到预期的效果。模块化是器件和单元电路的模块化。由于开关电源频率提高了，使得引线的寄生电感、寄生电容也增加，导致器件承受的应力也大大提高。模块化设计让开关电源使用方便灵活，最大的改进是彻底没有了连线，得以减少寄生效应，使器件承受的应力降至最低，开关电源的可靠性得到了提高。

1.3 功率因数校正技术

使用电容进行滤波可以在AC／DC转换器电路输出端获得相对平滑的直流输出电压。输入电流的畸形是因为整流二极管的非线性和电容的共同作用造成的。如果删除了滤波电容器，电流的输出变为近似的正弦波，变压器输入端的功率得到提高且输入电流的谐波也减少了，但在整流电路的输出不再是一个平滑的直流输入电压，而是脉动波。为了使输出电压是平滑的直流输出，且输入的电流为正弦波，那么就需要功率因数校正（PFC）电路，即在整流电路和滤波电容之间加一个电路，通过输入电流跟踪输入电压。为了达到此目的，既可使用无源电路（不可控开关），也可以用有源电路（可控开关）。

无源滤波器电路技术是将电感串联在桥式整流器和电容器之间，从而使得二极管的导通时间增加，将输入电流的幅值降低，或者把谐振滤波器接在交流侧，其作用是消除3次谐波。无源方式虽简单，其缺点是电流谐波大，对阻抗性负载要求很高。无源PFC是以荧光灯电子整流器为基础，其特点是滤波电容为两个串联的电容，并与二极管相互合作，使得整流二极管的导通角扩大，从而提高了输入侧的功率因数。其缺点是直流母线电压约为最大输入电压的二分之一。

有源功率因数校正技术是基于输入电压作为参考信号，让输入电流跟踪参考信号，以得到输入电流的低频分量和输入电压相同的频率和波形，从而使谐波得到抑制。其有直接和间接电流控制法。直接电流控制用输入电流与参考电流进行比对，然后用输出电流误差控制开关动作。直接电流控制可分为：峰值电流控制、滞环控制和平均电流控制。峰值电流控制的缺点是峰值电流引起的次谐波振荡使得功率因数校正变得困难，所以较少使用。滞环控制是一种变频控制，可以达到平均电流为纯正弦。平均电流控制操作简单，控制效果良好，是目前使用广泛的控制方式。间接电流控制是对输入电感端电压的幅值和相位进行控制，使得电感器电流和输入电压同相，此方法操作简单。

目前，单相功率因数校正技术是较成熟的，功率因数能达到0.998。

1.4 软开关技术

PWM开关电源在硬切换方式下工作，切换过程中电压和电流会出现波形重叠，增加了开关的消耗，并且这个损耗与开关频率的增加成正比。因此须研究开关电压／电流波形不重合的办法，即所谓的零电压（ZVS）开关技术，也被称为软开关技术（相对于硬开关PWM技术而言）。新的软开关技术是基于20世纪70年代谐振软开关技术研发而来，现在已有很多，如准谐振，全桥移相ZVS－PWM。软交换的发展和应用使得开关电源效率大大提升。

2 发展趋势

随着社会的进步和科学技术的发展，开关电源产品的规格和种类日益繁多，新技术也不断出现。

2.1 绿色化

绿色化就是没有污染。由于分布式体系结构的使用越来越多，开关电源逐步向高频化和高功率密度化发展。开关电源之所以会成为电网的污染源，是因为其输入侧出现了尖峰脉冲波形。国际电工委员会（IEC）制定了很多标准来防止电器对电力电网造成严重污染，通常是将一级有源功率因数校正器PFC安装在转换器上，从而使功率因数提高到1。这不仅控制了谐波电网“污染”，而且由于 MOSFET、IGBT和软开关普遍应用于电力电子电路，从而增加了功率转换器的频率，结构更紧凑。随之出现了许多新问题，如由寄生元件的影响导致了电磁辐射加剧等。因此，产品需满足EMC要求。

2.2 抗电磁干扰

分布式体系结构、开关电源体积更小、开关频率高以及功率密度大等要求都与抑制电磁干扰和降低噪声产生矛盾。开关电源会成为射频干扰（RFI）的产生源，原因在于变换器的特定工作波形。开关器件、主回路整流器、输出二极管以及控制电路本身都是噪声的发源地。在主回路中射频干扰噪声的等级主要取决于变换器使用何种电路。

2.3 高功率因数

AC／DC开关电源的整流、电容滤波电路在输入一侧，这会产生尖脉冲状的输入电流波形，功率因数仅为0.65，从而也降低了整体的效率。增加一个有源功率因数校正是最有效的方法，其功率因数可达到1。

2.4 具有过压过流保护功能

在电源中配备有十分可靠的过电压、过电流保护电路，当出现过压、过载、短路情况时切断电源，增加了开关电源的可靠性和稳定性。

2.5 宽输入电压范围

为适应世界各国的电网电压规格，就要求AC／DC开关电源的输入电压范围要宽，如AC80～264 V，且DC／AC开关电源可以使用电池作后备电源。

2.6 扩大输出电压范围

AC／DC开关用于工作站和个人计算机增加了3.3 V输出电压的供电需求，有的开关电源输出电压低至1.8 V，就要求整流二极管要有良好的性能。使用同步整流技术，利用MOSFET的开关和传导特性可以使整流电路的损耗降低。很多公司都已经研发出10 mΩ以下的导通电阻的MOSFET产品。其显著的性能是输出电流为10 A时，压降会保持在0.1，损耗更低。

3 结束语

电源的稳定性和可靠性决定了产品的稳定性和可靠性。功率、电压、频率、噪声及带载时参数的变化是体现电源性能的特性参数，在同一参数下可以对体积、重量、形状、效率、可靠性等有不同的要求。为了进一步提高开关电源的各项性能，以下5点需关注：能否全面贯彻电磁兼容性？电气额定值是否可以提高（如功率因数）或降低（如输出电压）？电源容量是否能更大？体积是否可以更小，且能随意变化以满足各种要求？能否对其进行定式量产化？

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