高频开关电源的发展趋势

高频开关电源的发展趋势

摘要：本文主要从高频开关电源的背景展开对其研究的价值和意义，再从当下对高频开关电源的发展应用中整理出其以后的发展趋势。

关键词：高频开关电源电力电子技术发展趋势Keywords: high frequency switch power supply ,power electronics, development tendency.

1.高频开关电源的背景和基本概念

线性电源、开关电源和相控电源是当下应用最广泛的直流电源，而在开关电源出现之前，线性电源应用于各种电子装置和电气控制设备中，由于直流电源与线性稳压电源相比在性能指标上具有很大的优势，逐步将线性电源取代(除一些对直流输出电压波纹高要求的场合外)。

对于相控电源具有电路简单方便控制的优点，但是存在着体积大、输出滤波电感大、频率低导致控制的响应速度慢的缺点，所以相控电路只在很大功率的应用场合采用。

随着电子技术的发展，电源系统的应用领域也在不断的扩大，电子设备的正常运行不能没有电源供应稳定的电能。各式各样的电子设备种类增多，趋于小型化成本化的同时，对电源的要求也不断增多，如电源的灵活性、体积轻、效率高等。为了缩小开关变换器的体积、提高其功率、改善响应，开关频率大幅提高，高频化成为一种趋势。

首先我们知道开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用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。

高频开关电源是交流输入直流整流，然后经过功率开关器件（功率晶体管、MOS 管、IGBT 等）构成放入逆变电路，将高压直流（单相整流约300V，三相整流约500V）变换成方波（频率为20kHz）。高频方波经高频变压器降压得到低压的高频方波，再经整流滤波得到稳定电压的直流输出。作为实现电能变换和功率传递的重要设备与应用领域，是一种技术含量高、知识面宽、更新换代快的产品。它已经广泛用于国民经济的各个范围：通信微机、电力控制、工业生产、能源交通、航空航天舰船机车、照明医疗、家用电器、彩电音响和VCD、显示器等

领域。

2.高频开关电源的优点

（1）、重量轻，体积小

由于采用高频技术，去掉了工频（50Hz）变压器，与相控整流器相比较，在输出同等功率的情况下，开关电源的体积只是相控整流器的1/10，重量也接近1/10。

（2）、功率因数高

相控整流器的功率因数随可控硅导通角的变化而变化，一般在全导通时，可接近0.7，以上，而小负裁时，但为0.3左右。经过校正的开关电源功率因数一般在0.93以上，并且基本不受负载变化的影响。

（3）、可闻噪声低

在相控整流设备中，工频变压器及滤波电感作时产生的可闻噪声大，一般大于60db，而开关电源在无风扇的情况下可闻噪声仅为45db左右。

（4）、效率高

开关电源采用的功率器件一般功耗较小，带功率因数补偿的开关电源其整机效率可达88%以上，较好的可以做到92%以上。

（5）、冲击电流小

开机冲击电流可限制在额定输入电流的水平。

（6）、模块式结构

由于体积小，重量轻，可设计为模块式结构。

3.高频开关电源的发展应用研究

（1）、模块化及其并联均流技术

模块化包括功率器件的模块化和电源单元的模块化。模块化的整机因缩小了体积而方便使用，同时取消传统连接降低寄生参数，降低器件承受的电应力，从而提高了系统的可靠性。大功率的开关电源中，一般采用多个独立的模块并联，采用均流技术，使得所有模块共同分担负载电流，保证某一模块失效时，其他模块仍能继续平均分担负载电流，不影响系统的正常工作。

作为高频开关电源的发展方向之一，对于并联运行的模块，最关键的问题是单个模块根据各自的功率等级平均负担负载电流，也就是并联模块之间的均流问题。

为了提高系统的稳定性和实用性，并联电源必须具有下列特性：各模块承受的电流能动平衡，实现均流；当输入电压或负载电流变化时，应保持输出电压稳定，并且均流的瞬态响应好；采用冗余供电系统保证任一电源模块故障时，负载可以获得足够的功率，并且能实现故障模块自动隔离和热更换。

输出阻抗法、主从设置法、平均值均流法和最大电流自动均流法是常用的并联均流法，不同方法各有各自的优点和缺点。其中输出阻抗法和最大电流自动均流法应用非常广泛，并且已有现成的集成控制芯片，比较常用的负载

均衡器有UC3907、UC3902等。

（2）、控制技术发展

开关变换器具有强非线性、离散性、变结构的特点，负载性质也是多变的，因此，主电路的性能必须满足负载大范围的变化，这使开关电源的控制方法和控制

器的设计变得比较复杂。

电流型控制及多环控制在开关电源中得到了较广泛的应用；电荷控制、单周期控制等技术使开关电源的动态性能有了很大的提高。一些新的方法，如自适应控制、模糊控制、神经网络控制及各种调制方式在开关电源中的应用，已经引起关注。

随着微电子技术的发展，微控制器的处理速度越来越快，集成度越来越高，将微控制器或者DSP 应用到大功率开关电源的数字控制模块已经成为现实。开关电源的高性能数字控制芯片的出现，推动了电源数字化的进程。

数字控制可以实现精细的非线性算法，监控多部件的分布电源系统，减少产品测试的调整时间，使产品生产率更高。实时数字控制可以实现快速、灵活的控制设计，改善电路的瞬态响应性能，使之速度更快、精度更高、可靠性更强。

（3）、软开关技术

传统大功率开关电源逆变主电路结构多采用PWM 硬开关控制的全桥电路结构，功率开关器件在开关瞬间承受很大的电流和电压应力，产生很大的开关损耗，且随着频率的提高而损耗增大。工作频率在20kHz，采用IGBT 功率器件的PWM 硬开关控制的电源，功率器件开关损耗占总损耗的60%~70%，甚至更大。为了消除或抑制电路的电压尖峰和浪涌电流，一般增加缓冲电路，不仅使电路更加复杂，还将功率器件的开关损耗转移到缓冲电路，而且缓冲电路的损耗随着工作频率的提高而增大。

软开关技术利用谐振原理，使开关器件两端的电压或流过的电流呈区间性正弦变化，而且电压、电流波形错开，使开关器件实现接近零损耗。谐振参数中吸收了高频变压器的漏抗、电路中寄生电感和功率器件的寄生电容，可以消除高频条件下的电压尖峰和浪涌电流，极大地降低器件的开关应力，从而大大提高开关电源的效率和可靠性。

（4）、专用集成电路

作为高频开关电源的控制系统和指挥中心，其专用集成电路产要完成多项功能：脉宽调制、检测传感、自动保护、变频调节、智能管理等。由于Ic的半导体工艺不断优化变革，从双极管结构发展到BCDMOS混合型，使耗电更少、污染更低、可靠性增高，更加集成化、小型化、智能化、绿色化。

高频开关电源专用集成电路包括了模拟和数宇电路，其常见电路脉冲宽度调制PWM比较器、RC高频振荡器、误差电流放大器、精密基电压参考电路、光电耦台电路、各类直流偏置电路，以及过压保护电路、过流限制比较器、欠压锁定比较器等。它们的基本单元电路结构为差分放大器、双差分模拟乘法器、运算放大器、电压比较器、恒流源、恒压镜像恒流源、VOC压控振荡器、直流电平位移电