开关电源的发展状况(一)

开关电源的发展状况
 开关电源属于电力电子技术，他运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能，他可以满足各种用电要求。开关电源是美国NASA用于宇宙火箭搭载电源目的而开发的。与线性电源相比开关电源具有体积小、重量轻、效率高的特点，被广泛用于电视机、计算机、自动控制装置、产业机械、通信装置等各个领域。特别是随着半导体技术的进步和信息产业的发展，开关电源的需求量不断扩大。随着现代半导体技术的发展，尤其是高性能的全控器件的产生，开关电源迎来了一个生机勃勃的春天。
 1． 发展史1955年美国的科学家罗耶首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。此后, 利用这一技术的各种形式的晶体管直流变换器不断地研制和涌现出来, 从而取代了早期采用的旋转式或机械振子式的寿命短、可靠性差、转换效率低的换流设备。由于变换器中的功率开关管工作在开关状态, 所以由此而制成的开关电源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻, 在当时被广泛地应用于航天及军事电子设备上。由于那时的微电子技术十分落后, 不能制作出耐压高、速度快、功率大的晶体管, 所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入, 并且转换的速度也不能太高。60年代末, 由于微电子技术的快速发展, 高反压的晶体管出现了, 从此以后直流变换器就可以直接由市电经整流滤波后输入, 不再需要有降压变压器了, 从而极大地扩大了开关电源的应用范围, 并在此基础上诞生了无工频降压变压器开关电源, 省掉了工频降压变压器, 使开关电源的体积和重量大为减小。开关稳压电源才真正做到效率高、体积小、重量轻。70年代以后, 与该技术有关的高频高反压的大功率晶体管、场效应管、高频电容、肖特基二极管、高频磁芯材料等元器件也不断地被研制和生产出来, 使这一技术得到了飞速的发展, 并且被广泛地应用于计算机、通信、航天、彩色电视等领域中, 从而使无工频变压器开关电源成为各种电源中的佼佼者[1]。
 2． 目前正在克服的困难 随着半导体技术和微电子技术的高速发展, 集成度高、功能强的大规模集成电路的不断出现, 使得电子设备的体积在不断地缩小, 重量在不断地减轻,所以从事这方面的研究和生产的人们对电源中的开关变压器还感到不是十分理想, 他们正致力于研制出效率更高、体积和重量更小的开关变压器或通过别的途径来取代它, 使之能满足电子仪器和设备微小型化的要求。这就是从事开关电源研究的科技人员目前正
在克服的第一个困难。开关电源的效率是与开关管的变换速度成正比的, 并且由于采用了开关变压器以后,才能使之由一组输入得到极性、大小各不相同的多组输出。要进一步提高其效率, 就必须提高其工作频率。但是当频率提高以后, 对整个电路中的元器件又有了新的要求。例如: 高频电容、开关管、开关变压器、储能电感、快速整流二极管等都会出现新的问题。进一步研制出适应高频工作的有关电路元器件是从事开关电源研制的科技人员要解决的第二个问题。线性电源中的功率调整管具有稳压和电子滤波的双重作用, 因而串联线性电源不产生开关干扰, 且输出波纹电压小。但是开关电源中的开关管是工作在开关状态, 所以就会产生尖峰干扰和谐振干扰。这些干扰就会污染市电电网, 影响邻近的电子仪器和设备的正常工作。随着开关电源电路和抑制干扰措施的不断增加和完善, 它的这一缺点得到了进一步的克服, 可以达到不妨碍一般电子仪器和设备正常
工作的程度。但在一些精密电子仪器中, 由于这一缺点, 却使开关电源不能得到应用。所以,克服这一缺点, 进一步提高开关电源的使用范围是从事开关电源研制人员要解决的第三个问题。
 目前, 在开关电源方面急需解决的最后一个问题, 是开关管的二次击穿问题。要解决这一问题, 首先要将其产生的原因分析清楚, 而目前人们对此还没有完全掌握, 还只能从“热点”的角度进行解释, 所以这方面还需人们去做大量的研究和探索工作。
 3.国内发展概况 我国的晶体管直流变换器及开关电源研制工作开始于60年代初, 到60年代中进入了实用阶段, 70年代初开始研制无工频降压变压器开关电源。1974年研制成功了工作频率为10 kHz、输出电压为5V 的无工频降压变压器开关电源。近10多年来, 我国的许多研究所、工厂和高等院校已研制和生产出了多种型号的工作频率为20 kHz 左右, 输出功率在1000W以下的无工频降压变压器开关电源, 并应用于计算机、通信、电视等方面, 取得了较好的效果。工作频率为100～ 200kHz 的高频开关电源于80年代初就已开始试制, 90年代初试制成功。目前正在走向实用和再进一步提高工作频率阶段。
 许多年来, 虽然我国在这方面投入了大量的人力和物力, 做出了巨大的努力, 并取得了可喜的成就, 但是, 目前我国的开关电源技术与世界上先进的国家相比仍有较大的差距。此外, 近几年来我国虽然把无工频变压器开关电源的工作频率从数十kHz 提高到数百kHz,把输出功率由数十W 提高到数百W 甚至数千W , 但是, 由于我国半导体技术与工艺跟不上时代的发展, 导致我们自己生产出的无工频变压器开关电源中的开关管大部分采用的仍是进口的晶体管。所以我国的开关电源事业要发展, 要赶超世界先进水平, 最根本和最关键的问题是如何提高和改进我国的半导体器件技术和制作工艺[2]。
 
 1.2开关电源的技术发展趋势
 1.小型化 由于电源小型花的关键是高频化，因此国外目前都在致力于同步开发新型元器件，特别是改善二次整流的损耗，变压器电容器小型化，同时采用SMT技术在电路板两面布置元器件以确保开关电源的轻、小、薄。
 2.高效率 开关电源高频化使传统的PWM开关（硬开关）功耗加大，效率降低，噪声也提高了，达不到高频、高效的预期效益，因此实现零电压导通、零电压关断的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流。采用软开关技术可使效率达到85%～88%。据悉，美国VICOR开关电源公司设计制造了多种ECZ软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有800W、600W、300W等，相应的功率密度为6.2、10、17W/cm，效率为80%～90%；日本Nemic-Lambda公司日前推出一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，开关频率为200～300kHz，功率密度27W/cm，用同步整流器（即用MOS—FER代替肖特基二极管）是整个电路效率提高到90%。
 3.高可靠 开关电源使用的元器件比连续工作电源多数十倍，因此降低了可靠性。追求寿命的延长要从设计方面着手，而不是从使用方面着想。美国一公司通过降低节温、减少器件的电应力、降低运行电流等措施使其DC/DC开关电源系列产品的可靠性大大提高，产品的MTBF高达100万时以上。
 4.模块化 可以用模块电源组成分布式电源系统；可以设计成N+1冗余电源系统，从而提高可靠性；可以做成插入式，实现热交换，从而在运行中出现鼓掌时能高速更换模块插件；多台模块并联可实现大功率电源系统。此外，还可以在电源系统建成后，根据发展需要不断扩充容量。
 5.低噪声 开关电源的又一缺点是噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之增大，采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以低噪声。但谐振转换技术也有其难点如果很难准确的控制开关频率，谐振时

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