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1引言 直流-直流變換器（DC/DC）變換器廣泛應用于遠程及數據通訊、計算機、辦公自動化設備、工業儀器儀表、軍事、航天等領域，涉及到國民經濟的各行各業。按額定功率的大小來劃分，DC/DC可分為750W以上、750W～1W和1W以下3大類。進入20世紀90年代，DC/DC變換器在低功率范圍內的增長率大幅度提高，其中6W～25WDC/DC變換器的增長率最高，這是因為它們大量用于直流測量和測試設備、計算機顯示系統、計算機和軍事通訊系統。由于微處理器的高速化，DC/DC變換器由低功率向中功率方向發展是必然的趨勢，所以251W～750W的DC/DC變換器的增長率也是較快的，這主要是它用于服務性的醫療和實驗設備、工業控制設備、遠程通訊設備、多路通信及發送設備，DC/DC變換器在遠程和數字通訊領域有著廣闊的應用前景。 DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵、列車、電動車的無級變速和控制，同時使上述控制具有加速平穩、快速響應的性能,并同時收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約20％～30％的電能。直流斬波器不僅能起到調壓的作用(開關電源),同時還能起到有效抑制電網側諧波電流噪聲的作用。 DC/DC變換器現已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為0.31W/cm3～1.22W/cm3。隨著大規模集成電路的發展,要求電源模塊實現小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構。目前，已有一些公司研制生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。 電子產業的迅速發展極大地推動了開關電源的發展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代電子設備供電系統的主流。在電子設備領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將DC/DC變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網變換成標稱值為48V的直流電源。目前，在電子設備中用的一次電源中,傳統的相控式穩壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT實現高頻工作,開關頻率一般控制在50kHz～100kHz范圍內,實現高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。 因為電子設備中所用的集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在電子供電系統中，采用高功率密度的高頻DC/DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,可以大大減小損耗、方便維護,且安裝和增容非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因為電子設備容量的不斷增加,其電源容量也將不斷增加。 2 電力電子器件 功率變換技術高速發展的基礎是電力電子器件和控制技術的高速發展，在21世紀，電力電子器件將進入第4代即智能化時代，具有如下顯著的特征。 2.1 高性能化 高性能化主要包括高電壓、大容量、降低導通電壓低損耗、高速度和高可靠性等4個方面。如IGBT的電流可達2kA～3kA、電壓達到4kV～6kV，降低損耗是所有復合器件的發展目標。預計在21世紀IGBT、智能化功率模塊（IPM）等器件的導通電壓可降到1V以下，而MOSFET、IBGT、MCT等器件的應用頻率將達到兆赫數量級。 2.2 智能化和集成化 智能化的發展是系統智能集成（ASIPM），即將電源電路、各種保護以及PWM控制電路等都集成在一個芯片上，制成一個完整的功率變換器IC。集成電力電子模塊（IPEM）是將驅動、自動保護、自診斷功能的IC與電力電子器件集成在一個模塊中。由于不同的元器件、電路、集成電路的封裝或相互連接產生的寄生參數已成為決定電力電子系統性能的關鍵，所以采用IPEM方法可減少設計工作量，便于生產自動化，提高系統質量、可靠性和可維護性，縮短設計周期，降低產品成本。 IPEM與IPM或PIC的不同之處在于后者是單層單片集成，一維封裝；而前者是高電壓、大電流、多層多片集成，三維封裝，結構更復雜，多方向散熱，其熱設計也更加重要。IPEM研究課題中有待解決的基本問題是結構的確定和通用性，新型電力電子器件評估的主要方面是開關單元、拓撲結構、高電壓大電流功率器件的單片集成。大功率無源器件集成、IPEM三維封裝（控制寄生參數，將寄生影響控制在最小范圍）、熱管理、IPEM設計軟件、接口與系統的兼容性、IPEM性能預測、可靠性冗余和容錯等都需要跨學科研究。因為與現代電力電子學相關的學科十分廣泛，包括基礎理論學科，如固體物理、電磁學、電路理論；專業理論學科如電力系統、電子學、系統與控制、電機學及電氣傳動、通信理論、信號處理、微電子技術；及電磁測量、計算機仿真、CAD等，覆蓋了材料、器件、電路與控制、磁學、熱設計、封裝、CAD集成、制造、電力電工應用等專業技術。就目前我國電力電子技術發展的現狀而言，迫切需要跨學科并運用多種專業技術進行聯合研究，以適應當今國際電力電子科技前沿技術的發展。 2.3 模塊化 模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指單元的模塊化。常見的功率器件模塊含有1單元、2單元、6單元直至7單元,包括開關器件和與之串并聯的續流二極管,實質上都屬于"標準"功率模塊(SPM)。近年來,有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中構成IPM,不但縮小了整機的體積,而且更加方便了整機的設計與制造。實際上,由于頻率不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統的可靠性,有些制造商開發了“用戶專用”功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統的引線連接,這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,產品性能優良。它類似于微電子電路中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,可縮小整機體積,更重要的是取消了傳統連線,把寄生參數值降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高了系統的可靠性。另外,大功率的開關電源,由于器件容量的限制和冗余度的增加，從提高可靠性方面考慮,一般采用多個獨立的模塊單元并聯工作,采用均流技術,所有模塊共同分擔負載電流,一旦其中某個模塊失效,其它模塊再平均分擔負載電流。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量情況下可滿足大電流輸出的要求,而且通過增加相對于整個系統來說功率很小的冗余電源模塊,極大地提高了系統的可靠性,即使萬一出現單個模塊故障,也不會影響系統的正常工作,而且可提供充分的時間進行修復。 3 新的DC/DC變換器技術 3.1 VRM技術 就DC/DC變換器而言，由于現代微處理器和一些超高速大規模集成電路芯片，如Intel、Pentium、Pro等，要求在低電壓（2.4V～3.3V）、大電流（>13A）狀態下工作，而其直流母線電壓通常為5V～12V。這樣，就需要將直流母線電壓通過DC/DC變換器進行變換，通常用VRM來實現。顯然，隨著芯片集成密度、工作速度的進一步提高，芯片的工作電壓將進一步下降，工作電流進一步增大。人們對VRM提出了新的挑戰，要求VRM具有非常快速的負載電流響應，在保證足夠小的體積的同時，還要具有高效率。要使VRM具有快速的負載電流動態響應，傳統的解決辦法是在VRM的輸出端并聯很多容量很大、等效串聯電阻很小的退耦電容器。顯然，該方法存在如下問題： 1）退耦電容器體積很大，而現代微處理器對VRM的體積有著嚴格的要求。 2）退耦電容器僅能改善動態響應的影響階段，對后階段及總的動態響應時間沒有作用。 一種交錯疊加型準方波抵消紋波的變換拓撲結構是其最新的解決方案，如圖1所示，該結構在保證要求輸出紋波的前提下，不但可以大大減少輸出濾波電容器的容量，而且能大大減少VRM輸出濾波電感的電感量。除此以外，為了提高VRM的動態響應，還必須力求減小供電母線的引線電感，其最有效的解決方案是將VRM作成“裝在印刷板上”的直流分布式電源形式，直接裝在負載附近。另一方面，還要求VRM本身具有十分小的引線電感，為了保證VRM具有足夠的效率，必須采用同步整流器和漏感很小的超薄型變壓器。 圖1 3.2 軟開關技術 為了縮小DC/DC變換器的體積，提高功率密度，改善動態響應，高頻化是DC/DC變換器技術發展的必然趨勢。但高頻化又會產生新的問題，如開關損耗及無源元件的損耗增大，高頻寄生參數及高頻EMI問題等。應用各種軟開關技術（包括無源無損軟開關技術，有源軟開關技術）可以減少開關損耗，提高效率。 1994年2月，IEEE電力電子學會組織“功率變換技術2000年展望專題研討會”，就DC/DC及AC/DC功率變換器的發展趨勢與需求進行探討，指出高功率密度DC/DCZVS開關變換器與器件性能、無源元件、封裝技術等有很大關系。與1994年對比，2000年，在保證可靠性增加一倍的基礎上，這種變換器功率密度提高一倍，成本降低一半。 進入20世紀90年代，各種軟開關技術，如ZVS/ZCS—PWM、ZVT/ZCT—PWM、移相全橋ZVS—PWM、有源箝位ZVS—PWM等的開發和應用都有較大的發展。美國Vicor公司生產的48V/600WDC/DC開關變換器模塊，由于采用高頻軟開關技術，功率密度達到7.32W/cm3,效率為90％，而3MHz、低電壓（1V）輸出的便攜式DC/DC變換器也正在研究開發中。 3.3 高頻磁技術 隨著電力電子電路與系統的高頻化，在低頻下可以忽略的某些寄生參數，在高頻下將對某些電路性能（開關尖峰能量、噪聲水平等）產生重大影響，尤其是磁元件的渦流、漏電感、繞組交流電阻（Rac）和分布電容等在低頻和高頻下的表現有很大不同。 20世紀90年代高頻磁技術研究的另一項成果是適用于薄型高頻開關變換器的薄型平面變壓器，其厚度小于1cm，呈扁平狀。繞組采用銅箔或板型印刷電路，省去繞組骨架，有利于散熱，漏感小，集膚效應損耗小。2000年，磁性材料研究的主要方向是： （1）高溫超導； （2）將鐵氧體或其它薄膜材料高密度集成在硅片上或硅材料集成在鐵氧體上； （3）錄音磁頭用薄膜材料高密度集成在硅片上或硅材料集成在鐵氧體上。 將變壓器和電感器集成在一起可縮小磁元件的體積，應用混合功率封裝技術和集成磁技術可使航空用0.5MHz、薄型100W半橋式DC/DC變換器的厚度僅為5.08mm，功率密度達9.15W/cm3。壓電變壓器的應用也使功率變換器電路小型化，如輸出24W的2MHz的DC/DC變換器，應用壓電變壓器的變比為5：1，在DC/DC開關電源領域有著廣闊的應用前景，壓電變壓器的應用將開創DC/DC變換器小型化的發展之路。 4 高頻開關電源的發展趨勢 在電力電子技術及各種電源系統中，開關電源技術處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統的電路非常龐大而笨重,如果采用高頻開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大地提高電源的利用效率、節省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通信電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。 4.1 高頻化 理論分析和實踐經驗表明,電氣產品的變壓器、電感器和電容器的體積和重量與供電頻率的平方根成反比。所以，當我們把頻率從工頻50Hz提高400倍到20kHz時,則電氣設備的體積和重量大體下降至工頻設計的5％～l0％。無論是逆變式整流焊機,還是通信電源用的開關式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統"整流行業"的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造,成為“開關變換類電源”,可節約主要材料90％或更多,還可節電30％或更多。由于功率器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統高頻設備固態化,可節能、節水、節約材料，由此帶來相當可觀的經濟效益,更可體現技術含量的價值。 4.2 數字化 在傳統功率電子技術中,控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在20世紀70年代,電力電子技術完全建立在模擬電路基礎上。但是,現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要,數字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優點:便于計算機處理控制，避免模擬信號的畸變失真，減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)，便于軟件包調試和遙感遙測遙調,也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以,在20世紀90年代,對于各類電路和系統的設計來說,模擬技術還是有用的,特別是諸如印制版的布圖、電磁兼容問題以及功率因數校正等問題的解決,離不開模擬技術,但是對于智能化的開關電源,當用計算機控制時,就需要數字化技術。 4.3 綠色化 電源系統的綠色化有兩層含義:首先是顯著節電,這意味著發電容量的節約,而發電是造成環境污染的重要原因,所以節電就可以減少對環境的污染;其次是這些電源不能(或少)對電網產生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節電設備,往往會變成電網的污染源:向電網注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數下降,使電網電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種校正功率因數的方法，為2l世紀批量生產各種綠色開關電源奠定了基礎。 現代電力電子技術是開關電源技術發展的基礎。隨著新型電力電子器件和適于更高開關頻率的拓撲電路的不斷出現,現代電源技術將在實際需要的推動下快速發展。在傳統的應用技術下,由于功率器件性能的限制而使開關電源的性能受到影響。為了極大地發揮各種功率器件的特性,使器件性能對開關電源性能的不利影響減至最小,新的電源拓撲電路和新型控制技術,可使功率開關在零電壓或零電流狀態下工作,從而可大大提高工作頻率,提高開關電源的工作效率,設計出性能優良的開關電源。 總之,電力電子及開關電源技術隨應用需求而不斷向前發展,新技術的出現又會使許多應用產品更新換代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實現,將標志著這些技術的成熟,實現高效率用電和高品質用電相結合。這幾年,隨著IC技術的發展,以開關電源技術為核心的電子設備用開關電源,僅國內就有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發研究。開關電源代替線性電源和相控電源已是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億市場需求的電力操作電源系統的國內市場正在啟動,并將很快發展起來，另外，還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業電源正在等待著人們去開發。 |
