開關電源的研究發展綜述

刁明君

（青島大學 自動化與電氣工程學院，山東 青島266071）

0 引 言

20世紀六十年代，開關電源出現，由于當時功率器件水平的限制，其開關頻率、轉換效率比較低。隨著功率半導體技術的飛速發展和電路制造工藝水平的不斷提升，開關電源技術取得長足的進步，高頻率開關、軟開關技術和集成化系統相繼出現。如今，開關電源的頻率已經能夠達到數MHz，使其在諸多場合得到了廣泛應用。AC／DC變換器在開關電源中具有非常重要的地位，在許多電氣設備廣泛應用。在AC／DC變換器發展的初期，其使用橋式整流作為輸入整流電路，導致轉換效率較低，且不能去除電流中的高次諧波，對用電環境造成了影響。各界對這一方面高度關注，規定了功率大于75 W的開關電源都必須具有功率因數校正電路，以提高系統的功率因數，減少諧波污染。提高變換器的轉換效率需要不斷提高其功率密度，因此需要實現開關電源的高頻化。開關頻率的不斷提高，增加了開關管的開關損耗。LLC諧振變換器以其電路結構簡單，能夠實現開關管的ZVS和整流二極管的ZCS等諸多優點得到了廣泛應用。該變換器能夠利用ZVS和ZCS技術有效地減小開關損耗，提高開關電源的轉換效率。

1 開關電源的分類

開關電源可以分為非隔離型和隔離型兩種。非隔離型開關電源包括三種電路：降壓型（Buck）、升壓型（Boost）和升降壓型（Buck－boost）。

（1）降壓型變換器可以實現輸出電壓小于輸入電壓，其屬于單管非隔離直流變換器。在電路中由PWM信號對開關管進行驅動。開關管的導通與截止，使電感充放電，從而對負載供電。Q導通，D截止，L開始充電；Q截止，電感電壓反向，D導通，電感電流減小。和線性電源相比，該變換器能夠實現較高效率且工作穩定性好。

（2）升壓變換器可以實現輸出電壓高于輸入電壓，也屬于單管非隔離直流變換器。在電路中由PWM信號對開關管進行驅動。開關管的導通與截止，使電感充放電，從而對負載供電。Q導通，L開始充電，C對Uout放電；Q截止，電感電感反向和電源串聯，對C充電和Uout供電。該變換器效率高、體積小，但是輸出紋波大，對噪聲不敏感。

（3）升降壓型電路既可以使輸出電壓高于輸入電壓，也可以使輸出電壓低于輸入電壓，其是升壓型電路和降壓型電路的串聯，也屬于隔離直流變換器。該變換器的輸出電壓與輸入電壓極性相反。當Q1、Q2導通，L開始充電，二極管截止，C為Uout供電；當Q1、Q2截止，電感電流減小，電感電壓反向，二極管導通。該變換器的輸入輸出電流紋波較大，驅動電路較為復雜。

隔離電源是現在使用非常廣泛的一種電源，之所以做成隔離型結構，主要是出于安全的考慮。隔離電源主要有以下幾種。

（1）反激式變換器一般用于小功率場合。該變換具有電路結構簡單、體積小、成本低等優點。其中變壓器可以做儲能元件使用，同時其具有寬輸入電壓范圍，在中小功率場合得到廣泛應用。不過由于其工作效率較低，在中大功率場合不能使用。

（2）正激式變換器一般用于寬電壓范圍、大電流場合，其與反激變換器的不同在于其不必在磁芯間留氣隙，同時其紋波電流較小。但是其電路結構較為復雜，生產成本較高。

（3）全橋式變換器可以實現變壓器初級開關管的ZVS和次級整流二極管的ZCS，其工作效率較高。但是其使用元器件較多，電路結構比較復雜，設計過程困難。

（4）半橋式變換器和全橋式變換器一樣能夠實現變壓器初級開關管的ZVS和次級整流二極管的ZCS，但是其相對來說所使用的的元器件較少，電路結構比較簡單。該變換器能夠得到較高的轉換效率，同時降低了生產成本和設計難度，得到了廣泛的應用。

以上就是比較常用的一些開關電源拓撲結構，其中每個拓撲結構都有自身的優點和缺點，設計者在設計開關電源時，需要結合實際情況作出選擇。

2 開關電源發展的幾個關注點

（1）功率半導體器件

應用在開關電源上的功率器件包括IGBT器件和MOS器件。早期的IGBT的耐壓值都比較低，經過長時間的發展，其耐壓值已經達到很高。隨著新材料的出現和使用，例如SiC的功率MOS器件的使用，其具有耐高溫、高頻率等一系列的優點?？梢灶A見，在未來碳化硅材料將會得到大范圍的應用。

（2）開關電源功率密度

如何提高開關電源的功率密度，使其在最小體積內實現最大性能一直是業界研究的目標。提高開關電源的功率密度可以通過如下途徑：一是實現其高頻化；二是應用壓電變壓器；三是采用新型電容，提高電容的單位能量密度。

（3）全數字化控制

全數字化控制和傳統的數?；旌峡刂葡啾?，在成本、體積、精度等一系列指標上均具有優越性。

（4）系統集成技術

電源系統的集成，可以實現產品設計的高效化、成本低廉化，使電源系統更加可靠。

3 結 論

毫無疑問，開關電源的使用前景是十分光明的，隨著科研工作者對功率半導體研究的不斷深入，開關電源一定會多功能化，在不久得將來發揮更大的作用，帶來巨大的經濟和社會效益。