电力电子技术在高频开关电源中的应用

电力电子技术在高频开关电源中的应用摘要：对电力电子技术的特点及开关电源的工作原理和发展趋势作了归纳 总结，在此基础上针对开关电源设计的关键技术：功率器件、软开关技术、同步 整流技术和控制技术，进行了分析，并论述了电力电子各项技术在开关电源中的 作用及发展前景。关键词：电力电子技术；高频开关电源；功率半导体器件；功率变换1电力电子技术概述电力电子技术以功率处理为对象，以实现高效率用电和高品质用电为目标， 通过采用电力半导体器件，并综合自动控制计算机（微处理器）技术和电磁技术， 实现电能的获取、传输、变换和利用。电力电子技术包括功率半导体器件与IC 技术、功率变换技术及控制技术等几个方面。电力电子技术起始于20世纪50年代末60年代初的硅整流器件，其发展先 后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代，并促进了电力电子技术在许多 新领域的应用。70年代后期以门极可关断晶闸管（GTO）,电力双极型晶体管 （BJT）,电力场效应管（P-MOSFET）为代表的全控型器件全速发展，使电力电 子技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。80年代末期和90年代初期发展起 来的、以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件集驱动功率小， 开关速度快，通泰压降小，载流能力大于一身，性能优越使之成为现代电力电子 技术的主导器件。2高频开关电源概述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。高频开关电源的特点1：1、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、模快式结构由于体积小，重量轻，可设计为模块式结构。3电力电子技术在大功率开关电源中的应用3.1功率半导体器件功率半导体器件的发展是高频开关电源技术的重要支撑。功率MOSFET和 IGB的出现，使开关电源高频化的实现成为可能；超快恢复功率二极管和 MOSFET同步整流技术的开发，为研制高效率或低电压输出的开关电源创造了 条件；功率半导体器件的额定电压和额定电流不断增大，为实现单机电源模块的 大电流和高率提供了保证。（1）功率 MOSFET功率MOSFET是一种单极型（只有电子或空穴作但单一导电机构）电压控 制半导体元件8，其特点是控制极（栅极）静态内阻极高，驱动功率很小，开 关速度高，无二次击穿，安全区宽等。开关频率可高达500kHz，特别适合高频化 的电力电子装置。（2）绝缘栅双极晶体管IGBT绝缘栅双极晶体管IGBT是一种双（导通）机制复合器件，它的输入控制部 分为MOSFET，输出极为GTR,集中了 MOSFET及GTR分别具有的优点： 高输入阻抗，可采用逻辑电平来直接驱动，实现电压控制，开关速度高，饱和压 降低，电阻及损耗小，电流、电压容量大，抗浪涌电流能力强，没有二次击穿现 象，安全区宽等。3.2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。3.3同步整流技术对于输出低电压、大电流的开关电源来讲，进一步提高其效率的措施是在应 用软开关技术的基础上，以功率MOS管反接作为整流用开关二极管，这种技术 称为同步整流（SR）,用SR管代替肖特基二极管（SBD）可以降低整流管压降， 提高开关电源的效率。现在的同步整流技术都在努力地实现ZVS及ZCS方式的同步整流。自从 2002年美国银河公司发表了 ZVS同步整流技术之后，现在已经得到了广泛应用 4。这种方式的同步整流技术巧妙地将副边驱动同步整流的脉冲信号与原边 PWM脉冲信号联动起来，其上升沿超前于原边PWM脉冲信号的上升沿，而降 沿滞后的方法实现了同步整流MOSFET的ZVS方式工作。最新问世的双输出式 P联M控制IC几乎都在控制逻辑内增加了对副边实现ZVS同步整流的控制端 子。这些IC不仅解决好初级侧功率MOSFET的软开关，而且重点解决好副边的 ZVS方式的同步整流。用这几款IC制作的DC/DC变换器，总的转换效率都达到 了 94%以上。3.4控制技术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5。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。4结束语高频开关电源作为电子设备中不可或缺的组成部分也在不断地改进，高频 化、模块、数字化、绿色化是其发展趋势。高频开关电源上述各技术的实现，将 标志着开关电源技术的成熟。电力电子技术的不断创新，将使开关电源产业有着 广阔的发展前景。参考文献1莫慧芳.高频开关电源发展概述.电源世界,2007（5）2贺益康，潘再平.电力电子技术.科学出版社,2010年第2版倪倩，齐铂金，赵晶等.软开关全桥PWM主电路拓扑结构在逆变焊接电 源中的应用.自动化与仪表,2002（1）4李龙文.开关电源技术的最新进展.电源应用技术,2006（8）5马翼龙，郭育华，张俊燕等.基于Si8250的数控开关电源环路补偿器设计. 电力电子技术,200& 42（8）