高压高频开关电源分析(张翔)

研究生课程考试答题册学号姓名考试科目现代电源变换技术考时日期2010.1.8西北工业大学研究生院第一章引言1概述广义地讲, 电源变换就是通过电子线路或其它手段使已有的某一频率、某一电压的电源成为所需的频率和电压的电源所进行的变换。

它包括（1）DC一AC变换—将一种直流电压变换为另一种直流电压;(2)AC一DC 变换—将交流电压变为直流电压;(3)DC一AC变换—将直流电压变为所需的交流电压;(4)AC一AC变换—将一种频率的交流电压变为另一种频率的交流电压。

目前, 电源变换大多采用电力电子技术。

电源变换技术的发展, 是以现代微电子技术和电力电子技术的发展为前提的, 是依托现代的电力电子器件及推陈出新的电子线路, 伴随日益提高的生产应用需求而发展的。

由于新型的电力电子器件不断涌现, 不断成熟, 加之新型的脉宽调制电路、双零开关谐振电路的不断完善, 新型电源变换技术获得了越来越广泛的应用。

相应地, 新型电源变换装置正在向大功率、小体积、高频率、高可靠性和模块化、数字化、智能化的方向发展。

2 开关电源文献综述2.1 历史发展1955年美国罗耶（GH.Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端；1957年美国人查赛（Jensen)发明了自激式推挽双变压器；1964年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径；到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了25千赫的开关电源。

2.2 目前现状目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100kHz、用MOSFET制成的500kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。

要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。

然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。

这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。

其中，为防止随开关从开启-关闭，所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器；而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。

不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。

这种开关方式称为谐振式开关。

目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。

当前，世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究。

2.2.1可关断晶闸管（GTO）GTO是一种可以借助负的门极电流脉冲关断的晶闸管, 它除具有普通晶闸管耐压高、电流大、耐浪涌能力强、造价便宜等优点外，还具有自关断能力，且工作频率较高，控制线路较简单。

进入80年代后，它在高电压、大电流应用方面取得了很大的进步。

2.2.2电力晶体管（GTR）GTR是一种大功率、高反压的巨型晶体管,，它具有开关时间短、饱和压降低等优点，近年来被广泛用于交流电机调速和中频电源等装置中。

2.2.3静电感应晶闸管（SITH）它是一种在栅极上加反向偏压即处于阻断状态, 除去反向偏压即处于导通状态的常开器件。

它具有动态特性均匀、导通电阻小、正向压降低、开关速度快、开关损耗低、耐量大等优点。

2.2.4功率场控晶体管(Power MOSFET)它是一种单极型的电压控制器件, 具有输入阻抗高、控制方便、热稳定性好、抗干扰能力强、开关速度快、无二次击穿等优点。

2.2.5静电感应晶体管(SIT)它是一种具有非饱和输出特性的器件，既可以工作在开关状态，也可工作在放大状态。

它具有工作频率高、输出功率大、失真小、输入阻抗高、开关特性好、抗辐射能力强等优点。

2.2.6绝缘门极晶体管（IGBT）它集MOSFET电压激励和达林顿功率管大电流、正向饱和压降低的特性于一体, 具有工作频率高、可靠性高、开关损耗低、脉冲拖尾电流低、工作安全区大等优点，应用在电机控制、50kHz以上的中频电源、各种开关电源以及其它要求高速度、低损耗的领域。

2.2.7MOS晶闸管(MTC)MTC是晶闸管与MOSFET相结合的产物，主导元件是SCR，控制元件是MOSFET。

MCT具有高电压、大电流、低通态压降、高电流密度、高输入阻抗、低驱动功率和高开关速度、高dv/dt与di/dt耐量等优点,是一种很理想的电子开关器件，是目前人们评价最高的一种混合器件。

2.2.8功率集成电路(PIC)它是功率器件与驱动电路、控制电路以及保护电路的集成，它将成为机与电的关键接口和机电一体化的关键部件，PIC 的发展和应用将使电力电子技术进入智能化时代。

目前，以IPM等为代表的第三代智能功率模块正在大规模地占领市场。

2.3未来发展趋势模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统针对开关电源运行噪声大的缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。

电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。

要加快我国开关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。

第二章高频高压开关电源的工作原理分析2.1推动高频高压开关电源发展的主要技术2.1.1功率半导体器件20世纪90年代，用在电力电子变换的功率半导体器件[91有许多新的进展，如:(1)功率MOSFET和IGBT已完全取代功率晶体管(GTR)和中小电流的晶闸管，使实际开关电源高频化有了可能。

超快恢复二极管和MOSFET同步整流技术的开发，也为研制高效率的开关电源创造了条件。

(2)功率半导体器件的水平超过预测，电压、电流额定值分别达到:IGBT，330OV，1200A和25O0V，1800A;PowerMOSFET，500V，24OA;GCT(Gate eommutatedTurn一offThyristor)4.skv，3kA;二极管，s000V，4000A。

(3)功率半导体器件的晶片理想材料是碳化硅，已作出25mm，40mm晶片，并试制出一批碳化硅器件样品。

如肖特基二极管，175OV，70n1A，正向压降VF一1.3V。

但是SIC器件要达到实用化，还需要一定时间。

碳化硅(SIC)是功率半导体器件晶片的理想材料，其优点是禁带宽、工作温度高(可达600℃)、热稳定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、PN结耐压高等，有利于制造出耐高温的高频大功率半导体器件。

(4)20世纪80年代，将功率器件与驱动、智能控制、保护、逻辑电路等集成封装，称为智能功率模块(IPM)或智能功率集成电路。

IPM工作电压可高达15V;环境温度达+125℃。

20世纪90年代，随着大规模分布电源系统的发展，将IPM的设计观念推广到更大容量、更高电压的集成电力电子电路，并提高了集成度，称为集成电力电子模块(IPEM)。

将功率器件与电路、控制，以及检测、执行元件集成封装，得到标准的、可制造的模块，既可用于标准设计，也可用于专用、特殊设计。

优点是可高效为用户提供产品，显著降低成本，提高可靠性。

2.1.2软开关技术PWM开关电源按硬开关模式工作，开关过程中，开关器件的电压和电流波形有交叠，因而开关损耗大。

PWM开关电源高频化可以缩小体积重量，但频率越高，开关损耗越大，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)和零电流开关(ZCS)技术，或称软开关技术。

软开关技术的开发和利用提高了开关电源的效率。

1994年2月，IEEE电力电子学会组织会议曾指出，高功率密度DC一DC零电压开关变换器与开关器件性能、无源器件性能、封装技术等有很大的关系。

并预测不久，在保证可靠性增加一倍的基础上，功率变换器成本将降低一半，功率密度可提高一倍。

现在，有的开关变换器产品已达到这一目标。

由于DC/DC变换电路中的功率开关管不是理想器件，在开通时开关管的电压不是立即下降到零，而是有一个下降过程，同时它的电流也不是立即上升到负载电流，有一个上升时间。

在这段时间里，电流和电压有一个交叠区，产生损耗，我们称之为开通损耗（Turn-on Loss）。

当开关管关断时，开关管的电压不是立即上升到电源电压，电流也不是立即下降到零，同样存在交叠区，产生损耗，我们称之为关断损耗（Turn-off Loss）[4]。

因此在开关管工作时要产生开通损耗和关断损耗，我们统称为开关损耗（Switching Loss）。

在一定条件下，开关管在每个开关周期内的开关损耗是恒定的，变换器总的开关损耗与开关频率成正比，开关频率越高，总的开关损耗越大，变换器的效率就越低。

开关损耗的存在限制了变换器的开关频率的提高，从而限制了变换器的小型化和轻量化。

开关管工作在硬开关状态时还会产生高dt dv 和dt di ，从而产生电磁干扰EMI 问题。

并且如果不改善开关管的开关条件，其开关轨迹很可能超过安全工作区，导致开关管损坏。

所谓“软开关”通常是指功率器件工作在零电压开关ZVS （Zero Voltage Switching ）模式或零电流ZCS （Zero Current Switching ）模式[5]。

软开关技术的实质就是通过电感L 和电容C 的谐振，使开关器件中的电流或两端电压按正弦或准正弦规律变化，当电流自然流过零时，使器件关断；当电压下降到零时，使器件导通。

功率器件在零电压或电流条件下完成导通与关断过程，将使功率器件的开关损耗理论上为零，从而提高变换器的工作频率，减小变换器的体积和重量。

图2－1给出了硬开关和软开关的电压与电流波形示意图，可以对比分析。

由于为了解决硬开关全桥变换带来的一系列负面影响，我们采用合适的软开关技术来进行相应的设计。

UU U UII I a 硬开关波形 b 软开关波形I图2－1 开关管的硬开关和软开关的理想波形2.1.3控制技术由于开关变换器的强非线性，以及它具有离散和变结构的特点、负载性质的多样性，主电器的性能必须满足负载大范围变化，所以这些使开关变换器的控制问题和控制器的设计较为复杂。

一些新的控制方法，如自适应、模糊控制、神经网络控制、以及各种调制策略在开关电源中的应用，已引起人们的注意。