開關電源技術的發(fā)展

開關電源是在電子、通信、電氣、能源、航空航天、軍事以及家電等領域應用非常廣泛的一種電力電子裝置。它具有電能轉換效率高、體積小、重量輕、控制精度高和快速性好等優(yōu)點，在小功率范圍內(nèi)基本上取代了線性調(diào)整電源，并迅速向中大功率范圍推進，在很大程度上取代了晶閘管相控整流電源。開關電源技術是目前中小功率直流電能變換裝置的主流技術。但是開關電源的設計工作較為繁瑣，難度大。

目前國內(nèi)開關電源的設計裕量過大，設計過程中對產(chǎn)品工作狀況和實際性能的預見性較差。開關電源技術在迅速的向前發(fā)展，為了能夠在理解基本原理的基礎上進行再創(chuàng)造，我們應該對開關電源技術有個整體概念的把握及其發(fā)展趨勢的預測，從而提高自己的設計水平，最終提高產(chǎn)品的質量。

2 開關電源的整體認識

2.1 開關電源的定義

開關電源是作為線性穩(wěn)壓電源的一種替代物

出現(xiàn)的，開關電源這一稱謂也是相對于線性穩(wěn)壓電源而產(chǎn)生的。顧名思義，開關電源就是電路中的電力電子器件工作在開關狀態(tài)的電源。這樣一來，如果把四大類基本電力電子電路(AC-DC 電

路、DC-AC 電路、AC-AC 電路、DC-DC 電路)都看成電源電路，則所有的電力電子電路也都可以看成開關電源電路。但是在實際應用中，開關電源所涵蓋的范圍比這個范圍要小的多。同時具備三個條件的電源可稱之為開關電源，這三個條件就是：開關(電路中的電力電子器件工作在開關狀態(tài)而不是線性狀態(tài))、高頻(電路中的電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻)和直流(電源輸出是直流而不是交流)[1]。

2.2 開關電源的發(fā)展史及應用范圍

開關電源的前身是線性穩(wěn)壓電源。在開關電源出現(xiàn)之前，許多控制設備的工作電源都采用線性穩(wěn)壓電源。由于計算機等電子裝置的集成度不斷增加，功能越來越強，他們的體積卻越來越小，因此迫切需要體積小、重量輕、效率高、性能好的新型電源，這就成了開關電源技術發(fā)展的強大動力。

新型電力電子器件的發(fā)展給開關電源的發(fā)展提供了物質條件。在 20 世紀 60 年代末，巨型晶體管(GTR)的出現(xiàn)，使得采用高工作頻率的開關電源得以問世，那時確定的開關電源的基本結構一直沿用至今。后來隨著電力 MOSFET 的應用，開關電源的頻率進一步提高，使得電源體積更小，重量更輕，功率密度進一步提高。在 20 世紀 80 年代，IGBT 的出現(xiàn)讓僅適用于小功率場合的開關電源在中大功率直流電源也得以發(fā)揮。在 20 世紀 80 年代后 20 年為了解決因開關頻率提高而引發(fā)的電磁干擾問題，出現(xiàn)了軟開關技術開關電路。隨后在 20 世紀 90 年代，為了提高開關電源的功率因數(shù)，出現(xiàn)了功率因數(shù)校正技術(PFC)。

目前除了對直流輸出電壓的紋波要求極高的場合外，開關電源已經(jīng)全面取代了線性穩(wěn)壓電源，主要用于小功率場合。例如：計算機、電視機、各種電子儀器的電源。在許多中等容量范圍內(nèi)，開關電源逐步取代了相控電源，例如：通信電源領域、電焊機、電鍍裝置等的電源。

3 開關電源中的電子電路

開關電源中的電子電路，也就是常說的主電路，是開關電源的核心電路。對各種開關電源主電路的工作原理與適用條件的分析是進行開關電源電路選型的基礎，也是主電路和控制電路參數(shù)設計的基礎。

根據(jù)電路是否具有電能回饋能力、輸出端與輸入端是否電氣隔離以及電路的結構形式三個原則，可以將開關電源中的電力電子電路按圖 1 分類。

各種不同的電路有各自不同的特點和應用場合。總的來說，非回饋型電路比回饋型電路結構簡單、成本低，而絕大多數(shù)應用不需要開關電源具備回饋能力，因此，非回饋型電路應用遠比回饋型電路廣泛。非隔離型電路比隔離型電路結構簡單、成本低，但多數(shù)應用需要開關電源的輸出端與輸入端隔離，或需要多組相互隔離的輸出，

所以，隔離型電路的應用較廣泛。而非隔離型電路也有不少應用，如開關型穩(wěn)壓器、直流斬波器

降壓型

升壓型

非 隔 離升降壓型

Cuk 型

Sepic 型

非回饋型Zeta 型

正激型

反激型

開隔離型半橋型

關

全橋型

電

源 推挽型

二象限型

非隔離型

回饋型 四象限型

隔離型

圖 1

等?；仞佇碗娐窇幂^少，下面重點比較非回饋型各電路的特點與應用。

3.1 非隔離型電路的應用范圍及特點[1]

降壓(Buck)型電路只能降壓不能升壓，輸出與輸入同極性，輸入電流脈動大，輸出電流脈動小，結構簡單。常用于降壓型直流開關穩(wěn)壓器、不可逆直流電動機調(diào)速等場合。

升壓(Boost)型電路只能升壓不能降壓，輸出與輸入同極性，輸入電流脈動小，輸出電流脈動大，不能空載，結構簡單。常用于將較低的直流電壓變換成為較高的直流電壓，如電池供電設備中的升壓電路、液晶背光電源等。該電路另一個重要用途就是作為單相功率因數(shù)校正電路。

升降壓(Buck-Boost)型電路不僅可以靈活地改變電壓的高低，而且能改變電壓極性，常用于電池供電設備中產(chǎn)生負電源的電路以及各種開關穩(wěn)壓器中。

Cuk 型電路的特點與升降壓電路相似，但電路較復雜。優(yōu)點是輸入與輸出回路中都有電感使輸出電壓紋波較小，從輸入電源吸取的電流紋波也較小，可以在特殊場合使用。

船電技術 2005 年第 5 期15

Sepic 型電路雖比較復雜，但由于輸出電壓可 Zeta 型電路很復雜，限制了使用范圍。

以高于輸入電壓也可以低于輸入電壓，所以可用3.2 隔離型各電路的應用領域及優(yōu)缺點

于要求輸出電壓較低的單相功率因數(shù)校正電路。 隔離型各電路的應用領域及優(yōu)缺點如表 1 [1]

表 1 隔離型各電路的應用領域及優(yōu)缺點

電路優(yōu)點缺點 功率范圍應用領域

正激型電路較簡單，成本低，可靠變壓器單向勵磁，利用率幾百瓦～幾各種中小功率開關電源性高，驅動電路簡單低 千瓦，反激型電路非常簡單，成本很低， 難達到較大功率，變壓器幾百瓦～幾小功率和消費電子設備、計算機可靠性高，驅動電路簡單單向勵磁，利用率低 十瓦設備電源全橋型變壓器雙向勵磁，容易達到結構復雜，成本高，可靠幾百瓦～幾大功率工業(yè)用開關電源、焊接電大功率性低，驅動電路復雜 百千瓦源、電解電源半橋型變壓器雙向勵磁，開關較有直通問題，可靠性低，幾百瓦～幾工業(yè)用開關電源、計算機設備用少，成本低，無偏磁問題需要復雜隔離驅動電路千瓦開關電源，變壓器雙向勵磁，變壓器一 幾百瓦～幾，推挽型次電流回路只有一個開關， 低輸入電壓的開關電源

有偏磁問題 千瓦通態(tài)損耗較小，驅動簡單

4 開關電源控制技術的研究 母線的開路、短路以及模塊的損壞都不會影響系

統(tǒng)其它模塊的正常工作，是目前最優(yōu)秀的均流方法法

4.1 開關電源控制技術的介紹。

器件發(fā)展到一定程度后，要進一步提高產(chǎn)品電流模式控制技術[1]則在以往電壓反饋控制的性能，必須采用新的控制方法和新的技術。目的基礎上，增加電流反饋控制;在對電壓控制的前，開關電源的控制方法和技術主要有軟開關技基礎上，對電流也進行動態(tài)的控制，使得能夠逐術和功率因數(shù)校正技術，民主均流控制技術，電個脈沖對電流進行控制。一方面能加快系統(tǒng)的動流模式控制技術，本脈沖(one-cycle)控制技態(tài)反應能力;另一方面，使得變壓器的偏磁情況、術等等。 負載的均流、電源模塊的過載或短路保護等得到軟開關技術[2]是指功率器件在零電壓或零電明顯的改善。

流條件下進行換流。因此，軟開關技術可以降低而本脈沖控制技術[3]是一種大信號的非線性功率器的開關損耗，提高系統(tǒng)的開關頻率，降低控制方法，在每一個周期內(nèi)取開關變量，經(jīng)過積變換器的體積和重量，使得系統(tǒng)的輸出紋波減少，分器的積分與給定電壓比較，其誤差經(jīng)過放大后，并且可以克服變換電路對寄生分布參數(shù)的敏感動態(tài)地調(diào)節(jié)變換器占空比的大小。由于每個周期性，降低系統(tǒng)的開關噪音，展寬系統(tǒng)的頻帶，改內(nèi)的占空比值只與該周期的開關變量有關，且開善系統(tǒng)的動態(tài)性能。 關變量(電壓或電流)的平均值在一個周期內(nèi)到功率因數(shù)校正技術通過有源校正的方法，使達新的穩(wěn)態(tài)，使得開關變量(被控制量)的平均得網(wǎng)側電流波形跟蹤電壓波形，這樣，把掛在電值和控制量無論是穩(wěn)態(tài)和動態(tài)都沒有誤差，具有網(wǎng)的開關電源變成一個接近純電阻的負載，不但良好的抗干擾能力和快速的動態(tài)響應能力。

該技可以抑制網(wǎng)側諧波電源，改善網(wǎng)側功率因數(shù)，降術既可用于 PWM 控制，也可用于 PFM 控制;既低電源的高次諧波產(chǎn)生的噪音和污染，提高電網(wǎng)可用于硬開關控制，也可用于軟開關控制;既可的質量，減少無功功率的流動和達到節(jié)能的效果，用于電壓模式控制，也可用于電流模式控制;既而且使電源的電磁兼容性能力得到了加強[1] ?？捎糜陔娏鬟B續(xù)的工作模式控制，也可用于電流民主均流控制技術[3]，既能實現(xiàn)電源模塊的不連續(xù)的工作模式控制，是開關變換器控制方式自動均流，又可以實現(xiàn)電源模塊的冗余。電源模發(fā)展的一個重要方向。塊的退出與增加均不影響系統(tǒng)的正常工作，均流

4.2 開關電源控制技術的現(xiàn)狀分析與發(fā)展趨勢

在軟開關變換電路中，有變頻控制的 PFM，和恒頻控制的 PWM。由于恒頻控制方式要優(yōu)于變頻控制方式，恒頻軟開關技術已成為軟開關技術的主流。其中，在傳統(tǒng)的橋式相控電路中，若綜合 PWM 技術和軟開關技術的優(yōu)點，則可在大范圍內(nèi)實現(xiàn) PWM 控制和輸出電壓或電流的大范圍無級調(diào)節(jié)，并且在功率器件換流瞬間，實現(xiàn)零電壓開關換流。這是一種低成本、高效率的實用電路。但目前研制的相移控制軟開關電路存在一些不足之處，主要是變換電路滯后橋臂零電壓開關范圍窄。因此，拓寬其軟開關范圍是該電路得到進一步廣泛應用的前提。各國學者一直在努力，提出一系列改進方法，主要集中在三個方面：一是拓寬滯后橋臂的零電壓開通范圍;二是將滯后橋臂構造成零電流關斷范圍大的軟開關;三是原邊的開關管和副邊的整流二極管同時實現(xiàn)大范圍的軟開關。目前，在這幾方面都取得了很大的進展，為軟開關技術在開關電源中的廣泛應用打下良好的基礎[1]。

在功率因數(shù)校正電路方面，其電路通常采用升壓拓撲結構。而較受關注的是 PFC 的控制技術。目前最為常用的控制技術有三種：平均電流型控制、CCM/DCM 邊界控制、電流鉗位控制。其中平均電流型控制最為普及，該電路中通過檢測 Boost 電感電流并與正弦電流基準信號進行比較，所得的誤差信號經(jīng)放大后再與諧波信號進行比較，產(chǎn)生 PWM 占空比信號去控制主開關，以實現(xiàn)單位功率因數(shù)和穩(wěn)定輸出電壓。該控制技術的電壓環(huán)帶寬控制在 20Hz 以下，電流環(huán)則要求足夠快以滿足不失真和低諧波的要求。它有專用控制器芯片，如 UC3854，目前通常用于 1kW 以上的功率級。這種技術的優(yōu)點是定頻控制，功率因數(shù)較高;缺點是要檢測電感電流，控制器外圍設計較為復雜。CCM/DCM 邊界控制是一種滯后控制技術，控制的上限是一個正弦基準電流，下限為零。電流鉗位控制實際上就是電流型控制Boost 電路。

在控制模式方面，有電壓模式控制和電流模式控制。電壓模式是單環(huán)控制，電流模式控制是雙環(huán)控制。電流模式控制技術可以較好地解決大功率電源的并聯(lián)問題，電源的動態(tài)響應性能更好，變壓器的偏磁情況、電源模塊的過載或短路保護等得到明顯的改善。所以在電源產(chǎn)品的設計中電流模式得到廣泛的應用。

在新技術方面，近來開關變換器發(fā)展起來的本脈沖控制是最值得注意的方向之一。不過，目前尚未見到基于本脈沖控制技術的開關電源產(chǎn)品。

與此同時，世界上許多著名的電子公司為了適應功率電子學發(fā)展的浪潮，不斷推出適應各種新型控制技術的芯片。美國的 UNITRODE 公司是其中一個杰出代表，其所開發(fā)的芯片既有電壓模式控制的，又有電流模式控制的，覆蓋了功率電子學所有的應用領域。其中，與開關電源密切相關的芯片主要有相移控制系列芯片、單相硬開關功率因數(shù)校正系列芯片、單相軟開關功率因數(shù)校正系列芯片、開關電源負載均流系列芯片等等。成功地研制這些性能良好的芯片，為軟開關技術和功率因數(shù)校正技術以及其它新技術在開關電源的應用奠定了一定的物質基礎。

5 結論

PWM 高頻調(diào)制技術、軟開關技術、處理網(wǎng)側諧波電流和提高網(wǎng)側功率因數(shù)的 PFC 技術的研究正將電力電子技術的應用引入高效、高性能、高功率因數(shù)和低污染的新階段。從而使開關電源產(chǎn)品在系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性、電磁兼容性、消除網(wǎng)側電源諧波、提高電源利用率、降低損耗、提高系統(tǒng)的動態(tài)性能等方面取得長足進步的同時，正向高頻化、高功率密度、高功率因數(shù)、高可靠性和高智能化方向發(fā)展。