高頻化數(shù)字化成未來開關(guān)電源發(fā)展方向

開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓及電流的一種電源。根據(jù)國際知名調(diào)查機(jī)構(gòu)DATABEANS統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從2004年至2010年每年全球開關(guān)電源市場銷售額平均保持了15%左右的幅度增長，到2010年約為120億美元的銷售額。

我國開關(guān)電源行業(yè)起步于1970 年代末期，目前已成為開關(guān)電源最主要的生產(chǎn)國和消費(fèi)國。根據(jù)《UPS應(yīng)用》雜志的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2003年以來，中國電源市場始終總體保持穩(wěn)定發(fā)展態(tài)勢。2008年中國電源產(chǎn)品產(chǎn)量3163萬臺，同比增長5.7%，銷售額為165.67億元，同比增長6.2%。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前開關(guān)電源也進(jìn)入到一個(gè)全新的發(fā)展階段。高頻化﹑數(shù)字化﹑軟開關(guān)等技術(shù)也將會成為未來開關(guān)電源的發(fā)展趨勢。

1、高頻化技術(shù)

隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)變換器的體積也隨之減少，功率密度也得到大幅提升，動態(tài)響應(yīng)得到改善。小功率DC/DC變換器的開關(guān)頻率將上升到MHz。但隨著開關(guān)頻率的不斷提高，開關(guān)元件和無源元件損耗的增加、高頻寄生參數(shù)以及高頻EMI等新的問題也將隨之產(chǎn)生。

2、數(shù)字化技術(shù)

在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中，控制部分是按模擬信號來設(shè)計(jì)和工作。目前，在整個(gè)的電子模擬電路系統(tǒng)中，電視、音響設(shè)備、照片處理、通訊、網(wǎng)絡(luò)等都逐步實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，而最后一個(gè)沒有數(shù)字化的堡壘就是電源領(lǐng)域。近年來，數(shù)字電源的研究勢頭不減，成果也越來越多。在電源數(shù)字化方面走在前面的公司主要有TI和Microchip。

3、軟開關(guān)技術(shù)

為提高變換器的變換效率，各種軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用而生，具有代表性的是無源軟開關(guān)技術(shù)和有源軟開關(guān)技術(shù)，主要包括零電壓開關(guān)/零電流開關(guān)(ZVS/ZCS)諧振、準(zhǔn)諧振、零電壓/零電流脈寬調(diào)制技術(shù)(ZVS/ZCS-PWM)以及零電壓過渡/零電流過渡脈寬調(diào)制(ZVT/ZCT-PWM)技術(shù)等。采用軟開關(guān)技術(shù)可以有效地降低開關(guān)損耗和開關(guān)應(yīng)力，有助于變換器變換效率的提高。

4、功率因數(shù)校正技術(shù)(PFC)

由于AC/DC變換電路的輸入端有整流元件和濾波電容，在正弦電壓輸入時(shí),單相整流電源供電的電子設(shè)備，電網(wǎng)側(cè)(交流輸入端)功率因數(shù)僅為0.6～0.65。采用PFC(功率因數(shù)校正)變換器，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可提高到0.95～0.99，輸入電流THD小于20%。既治理了電網(wǎng)的諧波污染，又提高了電源的整體效率。這一技術(shù)稱為有源功率因數(shù)校正APFC單相，APFC國內(nèi)外開發(fā)較早，技術(shù)已較成熟。目前PFC技術(shù)主要分為有源PFC技術(shù)和無源PFC技術(shù)兩大類，采用PFC技術(shù)可以提高AC/DC變化器輸入端功率因數(shù)，減少對電網(wǎng)的諧波污染，但還有待繼續(xù)研究發(fā)展。

5、模塊化技術(shù)

模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。近年來，有些公司把開關(guān)電源的驅(qū)動保護(hù)電路也裝到功率模塊中去，構(gòu)成了“智能化”功率模塊(IPM)，不但縮小了整機(jī)的體積，更方便了整機(jī)的設(shè)計(jì)制造。實(shí)際上，由于頻率的不斷提高，致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴(yán)重，對器件造成更大的電應(yīng)力(表現(xiàn)為過電壓、過電流、毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性，有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊(ASPM)，它把一臺整機(jī)的所有硬件都以芯片的形式安裝到一個(gè)模塊中，這樣的模塊經(jīng)過嚴(yán)格合理的熱、電、機(jī)械方面的設(shè)計(jì)，達(dá)到優(yōu)化完美的境地。由此可見，模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機(jī)體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數(shù)降到最小，從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低，提高系統(tǒng)的可靠性。 （責(zé)編：葉松柏）