開關(guān)電源進入高效率功率變換時代

電子設(shè)備特別是計算機的不斷小型化,要求供電電源的體積隨之小型化,因而開關(guān)電源開始替代以笨重的工頻變壓器為特征的線性穩(wěn)壓電源,同時電源效率得到明顯提高。電源體積的減小意味著散熱能力的變差,因而要求電源的功耗變小,即在輸出功率不變的前提下,效率必須提高。

高效率功率變換:開關(guān)電源設(shè)計追求的目標(biāo)

相同體積的電源的功率耗散基本相同,因此,欲得到更大的輸出功率,必須提高效率,同時,高的電源效率可以有效地減小功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)力,有利于提高其可靠性。

開關(guān)電源的損耗主要為:無源元件損耗和有源元件損耗

開關(guān)損耗一直困惑著開關(guān)電源設(shè)計者,由于功率半導(dǎo)體器件在開關(guān)過程中,器件上同時存在電流、電壓,因而不可避免地存在開關(guān)損耗,如果開關(guān)電源中開關(guān)管和輸出整流二極管能實現(xiàn)零電壓開關(guān)或零電流開關(guān),則其效率可以明顯提高。

開關(guān)過程引起的開關(guān)損耗大致會占總輸入功率的5%~10%,大幅度降低或消除這一損耗可使開關(guān)電源的效率提高5%~10%。最有效的方法是軟開關(guān)技術(shù)或零電壓開關(guān)或零電流開關(guān)技術(shù)。

在眾多軟開關(guān)的方案中,比較實用的有大功率的全橋變換器,通常采用移相零電壓開關(guān)的控制方式,這種控制方式要求在初級側(cè)需附加一續(xù)流電感以確保開關(guān)管在零電壓狀態(tài)下導(dǎo)通,由于較大的有效值電流流過,這個附加電感將發(fā)熱(盡管比RC緩沖電路小得多),因而在低壓功率變換中并不采用。

無源無損耗緩沖電路的特點是不破壞常規(guī)PWM控制方式,設(shè)計/調(diào)試簡單。盡管如此,無源無損耗緩沖電路和準(zhǔn)諧振/零電壓開關(guān)工作方式也存在一些缺點,如僅能實現(xiàn)關(guān)斷軟開關(guān)以及在反激式變換器中不太適于大負(fù)載范圍變化。軟開關(guān)中有源箝位是提高單管正/反激變換器效率的有效方法,最初的專利限制現(xiàn)在已失效,可以普遍應(yīng)用。

功率半導(dǎo)體器件的進步:高效率功率變換的根本

功率半導(dǎo)體器件的進步特別是PowerMOSFET的進步引發(fā)出功率變換的一系列的進步:PowerMOSFET的極快的開關(guān)速度,使開關(guān)電源的開關(guān)頻率從雙極晶體管的20kHz 提高到100kHz以上,有效地減小了無源儲能元件(電感、電容)的體積。低壓PowerMOSFET使低壓同步整流成為現(xiàn)實,器件的導(dǎo)通電壓從肖特基二極管的0.5V左右,降低到同步整流器的0.1V甚至更低,使低壓整流器的效率至少提高了10%。高壓PowerMOSFET的導(dǎo)通壓降和開關(guān)特性的改善,提高了開關(guān)電源的初級效率。功率半導(dǎo)體器件的功耗的降低也使散熱器和整機的體積減小。

電源界有一個不成文的觀點:不穩(wěn)壓的比穩(wěn)壓的效率高、不隔離的比隔離的效率高、窄范圍輸入電壓的比寬范圍輸入的效率高。Vicor的48V輸入電源模塊的效率達到97%。交流輸入開關(guān)電源需要功率因數(shù)校正,由于功率因數(shù)校正已具有穩(wěn)壓功能,在對輸出紋波要求不高的應(yīng)用(如輸出接有蓄電池或超級電容器),可以采用功率因數(shù)校正加不調(diào)節(jié)的隔離變換器電路拓?fù),國外?986年已有產(chǎn)品,效率到達93%以上。


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