開關(guān)電源技術(shù)未來發(fā)展幾個方面
通訊業(yè)的迅速開展極大地推動了通訊電源的開展，開關(guān)電源在通訊體系中處于中心位置，并已成為現(xiàn)代通訊供電體系的干流。在通訊領(lǐng)域中，通常將高頻整流器稱為一次電源，而將直流-直流(DC/DC)改換器稱為二次電源。跟著大規(guī)模集成電路的開展，要求電源模塊完結(jié)小型化，因此需求不斷進(jìn)步開關(guān)頻率和選用新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這就對高頻開關(guān)電源技能提出了更高的要求。
1 通訊用高頻開關(guān)電源技能的開展
通訊用高頻開關(guān)電源技能的開展基本上可以體現(xiàn)在幾個方面：改換器拓?fù)�、建模與仿真、數(shù)字化操控及磁集成。
1.1 改換器拓?fù)?/P>
軟開關(guān)技能、功率因數(shù)校對技能及多電平技能是近年來改換器拓?fù)浞矫娴臒衢T。選用軟開關(guān)技能可以有用的下降開關(guān)損耗和開關(guān)應(yīng)力，有助于改換器功率的進(jìn)步；選用PFC技能可以進(jìn)步AC/DC改換器的輸入功率因數(shù)，削減對電網(wǎng)的諧波污染；而多電平技能首要運(yùn)用在通訊電源三相輸入改換器中，可以有用下降開關(guān)管的電壓應(yīng)力。一起由于輸入電壓高，選用適當(dāng)?shù)能涢_關(guān)技能以下降開關(guān)損耗，是多電平技能將來的重要研討方向。
為了下降改換器的體積，需求進(jìn)步開關(guān)頻率而完結(jié)高的功率密度，有必要運(yùn)用較小尺度的磁性材料及被迫元件，可是進(jìn)步頻率將使MOSFET的開關(guān)損耗與驅(qū)動損耗大幅度添加，而軟開關(guān)技能的運(yùn)用可以下降開關(guān)損耗。現(xiàn)在的通訊電源工程運(yùn)用最為廣泛的是有源鉗位ZVS技能、上世紀(jì)90年代初誕生的ZVS移相全橋技能及90年代后期提出的同步整流技能。
1.1.1 ZVS 有源鉗位
有源箝位技能歷經(jīng)三代，且都申報(bào)了專利。榜首代為美國VICOR公司的有源箝位ZVS技能，將DC/DC的作業(yè)頻率進(jìn)步到1 MHZ，功率密度挨近200 W/in3，然而其改換功率未超越90 %。為了下降榜首代有源箝位技能的本錢，IPD公司申報(bào)了第二代有源箝位技能專利，其選用P溝道MOSFET，并在變壓器二次側(cè)用于forward電路拓?fù)涞挠性大槲�，這使產(chǎn)品本錢減低許多。但這種辦法形成的MOSFET的零電壓開關(guān)（ZVS）邊界條件較窄，而且PMOS作業(yè)頻率也不抱負(fù)。為了讓磁能在磁芯復(fù)位時(shí)不白白消耗掉，一位美籍華人工程師于2001年申請了第三代有源箝位技能專利，其特點(diǎn)是在第二代有源箝位的根底大將磁芯復(fù)位時(shí)釋放出的能量轉(zhuǎn)送至負(fù)載，所以完結(jié)了更高的改換功率。它共有三個電路計(jì)劃：其中一個計(jì)劃可以選用N溝MOSFET，因此作業(yè)頻率可以更高，選用該技能可以將ZVS軟開關(guān)、同步整流技能都結(jié)合在一起，因此其完結(jié)了高達(dá)92 %的功率及250 W/in3以上的功率密度。
1.1.2 ZVS 移相全橋
從20世紀(jì)90年代中期，ZVS移相全橋軟開關(guān)技能已廣泛地運(yùn)用于中、大功率電源領(lǐng)域。該項(xiàng)技能在MOSFET的開關(guān)速度不太抱負(fù)時(shí)，對改換器功率的進(jìn)步起了很大作用，但其缺陷也不少。榜首個缺陷是添加一個諧振電感，其導(dǎo)致必定的體積與損耗，而且諧振電感的電氣參數(shù)需求堅(jiān)持一致性，這在制作進(jìn)程中是比較難操控的；第二個缺陷是丟掉了有用的占空比[1]。此外，由于同步整流更便于進(jìn)步改換器的功率，而移相全橋?qū)Χ蝹?cè)同步整流的操控作用并不抱負(fù)。開始的PWM ZVS移相全橋操控器，UC3875/9及UCC3895僅操控初級，需另加邏輯電路以供給精確的次極同步整流操控信號；如今最新的移相全橋PWM操控器如LTC1922/1、LTC3722-1/-2，雖然已添加二次側(cè)同步整流操控信號，但仍不能有用地到達(dá)二次側(cè)的ZVS/ZCS同步整流，但這是進(jìn)步改換器功率最有用的辦法之一。而LTC3722-1/-2的另一個嚴(yán)重改善是可以減小諧振電感的電感量，這不只下降了諧振電感的體積及其損耗，占空比的丟掉也所改善。
1.1.3 同步整流
同步整流包括自驅(qū)動與外部驅(qū)動。自驅(qū)動同步整流辦法簡單易行，可是次級電壓波形簡單遭到變壓器漏感等許多要素的影響，形成批量出產(chǎn)時(shí)可靠性較低而較少運(yùn)用于實(shí)踐產(chǎn)品中。關(guān)于12 V以上至20 V左右輸出電壓的改換則多選用專門的外部驅(qū)動IC，這樣可以到達(dá)較好的電氣功用與更高的可靠性。
TI公司提出了猜測驅(qū)動策略的芯片UCC27221/2，動態(tài)調(diào)理死區(qū)時(shí)刻以下降體二極管的導(dǎo)通損耗。ST公司也規(guī)劃出相似的芯片STSR2/3，不只用于反激也適用于正激，一起改善了連續(xù)與斷續(xù)導(dǎo)通模式的功用。美國電力電子體系中心（CPES）研討了各種諧振驅(qū)動拓?fù)湟韵陆凋?qū)動損耗[2]，并于1997年提出一種新式的同步整流電路，稱為準(zhǔn)方波同步整流，可以較大地下降同步整流管體二極管的導(dǎo)通損耗與反向恢復(fù)損耗，而且簡單完結(jié)初級主開關(guān)管的軟開關(guān)[3]。凌特公司推出的同步整流操控芯片 LTC3900和LTC3901可以更好地運(yùn)用于正激、推挽及全橋拓?fù)渲小?/P>
ZVS及ZCS同步整流技能也已開始運(yùn)用，例如有源鉗位正激電路的同步整流驅(qū)動（NCP1560），雙晶體管正激電路的同步整流驅(qū)動芯片LTC1681及LTC1698，但其都未獲得對稱型電路拓樸ZVS/ZCS同步整流的優(yōu)秀作用。
1.2 建模與仿真
開關(guān)型改換器首要有小信號與大信號剖析兩種建模辦法。
小信號剖析法：首要是狀況空間均勻法[4]，由美國加里福尼亞理工學(xué)院的R.D.Middlebrook于1976年提出，可以說這是電力電子學(xué)領(lǐng)域建模剖析的榜首個真實(shí)含義的嚴(yán)重突破。后來出現(xiàn)的如電流注入等效電路法、等效受控源法（該法由我國學(xué)者張興柱于1986年提出）、三端開關(guān)器材法等，這些均歸于電路均勻法的領(lǐng)域。均勻法的缺陷是顯著的，對信號進(jìn)行了均勻處理而不能有用地進(jìn)行紋波剖析；不能精確地進(jìn)行穩(wěn)定性剖析；對諧振類改換器可能不大合適；要害的一點(diǎn)是，均勻法所得出的模型與開關(guān)頻率無關(guān)，且適用條件是電路中的電感電容等發(fā)生的天然頻率有必要要遠(yuǎn)低于開關(guān)頻率，精確性才會較高。
大信號剖析法：有解析法，相平面法，大信號等效電路模型法，開關(guān)信號流法，n次諧波三端口模型法，KBM法及通用均勻法。還有一個是我國華南理工大學(xué)教授丘水生先生于1994年提出的等效小參量信號剖析法[5]，不只適用于PWM改換器也適用于諧振類改換器，而且可以進(jìn)行輸出的紋波剖析。
建模的意圖是為了仿真，繼而進(jìn)行穩(wěn)定性剖析。1978年，R.Keller初次運(yùn)用R.D.Middlebrook的狀況空間均勻理論進(jìn)行開關(guān)電源的SPICE仿真[6]。近30年來，在開關(guān)電源的均勻SPICE模型的建模方面，許多學(xué)者都建立了各式各樣的模型理論，然后形成了各種SPICE模型。這些模型各有所長，比較有代表性的有：Dr.SamBenYaakov的開關(guān)電感模型；Dr.RayRidley的模型；根據(jù)Dr.VatcheVorperian的Orcad9.1的開關(guān)電源均勻Pspice模型；根據(jù)Steven Sandler的ICAP4的開關(guān)電源均勻Isspice模型；根據(jù)Dr. VincentG.Bello的Cadence的開關(guān)電源均勻模型等等。在運(yùn)用這些模型的根底上，結(jié)合改換器的首要參數(shù)進(jìn)行宏模型的構(gòu)建，并運(yùn)用所建模型構(gòu)成的DC/DC改換器在專業(yè)的電路仿真軟件（Matlab、Pspice等）渠道上進(jìn)行直流剖析、小信號剖析以及閉環(huán)大信號瞬態(tài)剖析。
由于改換器的拓?fù)湟蝗涨Ю�，開展速度極快，相應(yīng)地，對改換器建模的要求也越來越嚴(yán)厲�？梢哉f，改換器的建模有必要要趕上改換器拓?fù)涞拈_展腳步，才能更精確地運(yùn)用于工程實(shí)踐。
1.3 數(shù)字化操控
數(shù)字化的簡單運(yùn)用首要是維護(hù)與監(jiān)控電路，以及與體系的通訊，現(xiàn)在已大量地運(yùn)用于通訊電源體系中。其可以替代許多模仿電路，完結(jié)電源的起動、輸入與輸出的過、欠壓維護(hù)、輸出的過流與短路維護(hù)，及過熱維護(hù)等，經(jīng)過特定的介面電路，也能完結(jié)與體系間的通訊與顯現(xiàn)。
數(shù)字化的更先進(jìn)運(yùn)用包括不光完結(jié)完善的維護(hù)與監(jiān)控功用，也能輸出PWM波，經(jīng)過驅(qū)動電路操控功率開關(guān)器材，并完結(jié)閉環(huán)操控功用�，F(xiàn)在，TI、ST及Motorola公司等均推出了專用的電機(jī)與運(yùn)動操控DSP芯片。現(xiàn)階段通訊電源的數(shù)字化首要采納模仿與數(shù)字相結(jié)合的方式，PWM部分依然選用專門的模仿芯片，而DSP芯片首要參加占空比操控，和頻率設(shè)置、輸出電壓的調(diào)理及維護(hù)與監(jiān)控等功用。
為了到達(dá)更快的動態(tài)呼應(yīng)，許多先進(jìn)的操控辦法已逐漸提出。例如，安森美公司提出改善型V2操控，英特矽爾公司提出Active-droop操控，Semtech公司提出電荷操控，仙童公司提出Valley電流操控，IR公司提出多相操控，而且美國的多所大學(xué)也提出了多種其他的操控思維[7，8，9]。數(shù)字操控可以進(jìn)步體系的靈活性，供給更好的通訊介面、故障診斷才能、及抗干擾才能。可是，在精細(xì)的通訊電源中，操控精度、參數(shù)漂移、電流檢測與均流，及操控推遲等要素將是需求急待解決的實(shí)踐問題。
1.4 磁集成
跟著開關(guān)頻率的進(jìn)步，開關(guān)改換器的體積隨之削減，功率密度也得到大幅進(jìn)步，但開關(guān)損耗將隨之添加，而且將運(yùn)用更多的磁性器材，因此占有更多的空間。
國外關(guān)于磁性元件集成技能的研討較為老練，有些廠商已將此技能運(yùn)用于實(shí)踐的通訊電源中。其實(shí)磁集成并不是一個新概念，早在20世紀(jì)70年代末，Cuk在提出Cuk改換器時(shí)就已提出磁集成的思維。自1995年至今，美國電力電子體系并中心（CPES）對磁性器材集成作了許多的研討作業(yè)，運(yùn)用耦合電感的概念對多相BUCK電感集成做了深入研討[10，11，12]，且運(yùn)用于各種不同類型的改換器中。2002年，香港大學(xué)Yim-Shu Lee等人也提出一系列關(guān)于磁集成技能的討論與規(guī)劃[13，14，15]。
慣例的磁性元件規(guī)劃辦法極端繁瑣且需求從不同的視點(diǎn)來考慮，如磁心的巨細(xì)選擇，材質(zhì)與繞組的斷定，及鐵損和銅損的評價(jià)等�？墒谴偶杉寄艹酥猓�有必要考慮磁通不平衡的問題，由于磁通分布在鐵心的每一部分其等效總磁通量是不同的，有些部分可能會提早飽滿。因此，磁性器材集成的剖析與研討將會愈加雜亂與困難。可是，其所帶來的高功率密度的優(yōu)勢，必是將來通訊電源的一大開展趨勢。
1.5 制作工藝
通訊用高頻開關(guān)電源的制作工藝適當(dāng)雜亂，而且直接影響到電源體系的電氣功用、電磁兼容性及可靠性，而可靠性是通訊電源的首要目標(biāo)。出產(chǎn)制作進(jìn)程中齊備的檢測手法，完全的工藝監(jiān)控點(diǎn)與防靜電等辦法的選用在很大程度上延續(xù)了產(chǎn)品最佳的規(guī)劃功用，而SMD貼片器材的廣泛運(yùn)用將可以大大進(jìn)步焊接的可靠性。歐美國家將從2006年起對電子產(chǎn)品要求無鉛工藝，這將對通訊電源中器材的選用及出產(chǎn)制作進(jìn)程的操控提出更高、更嚴(yán)厲的要求。
現(xiàn)在更為吸引的技能是美國電力電子體系中心（CPEC）在近幾年提出的電力電子集成模塊（IPEM）的概念[16]，俗稱“積木”。選用先進(jìn)的封裝技能而下降寄生要素以改善電路中的電壓振鈴 與功率，將驅(qū)動電路與功率器材集成在一起以進(jìn)步驅(qū)動的速度因此下降開關(guān)損耗。電力電子集成技能不只可以改善瞬態(tài)電壓的調(diào)理，也能改善功率密度與體系的功率。可是，這樣的集成模塊現(xiàn)在存在許多應(yīng)戰(zhàn)，首要是被迫與自動器材的集成方式，而且較難到達(dá)最佳的熱規(guī)劃。CPEC對電力電子集成技能進(jìn)行了多年的研討，提出了許多有用的辦法、結(jié)構(gòu)與模型。
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