开关电源进入高效率功率变换时代

  电子设备特别是计算机的不断小型化,要求供电电源的体积随之小型化,因而开关电源开始替代以笨重的工频变压器为特征的线性稳压电源,同时电源效率得到明显提高。电源体积的减小意味着散热能力的变差,因而要求电源的功耗变小,即在输出功率不变的前提下,效率必须提高。

  相同体积的电源的功率耗散基本相同,因此,欲得到更大的输出功率,必须提高效率,同时,高的电源效率可以有效地减小功率半导体器件的应力,有利于提高其可靠性。

  开关损耗一直困惑着开关电源设计者,由于功率半导体器件在开关过程中,器件上同时存在电流、电压,因而不可避免地存在开关损耗,如果开关电源中开关管和输出整流二极管能实现零电压开关或零电流开关,则其效率可以明显提高。

  开关过程引起的开关损耗大致会占总输入功率的5%~10%,大幅度降低或消除这一损耗可使开关电源的效率提高5%~10%。最有效的方法是软开关技术或零电压开关或零电流开关技术。

  在众多软开关的方案中,比较实用的有大功率的全桥变换器,通常采用移相零电压开关的控制方式,这种控制方式要求在初级侧需附加一续流电感以确保开关管在零电压状态下导通,由于较大的有效值电流流过,这个附加电感将发热(尽管比RC缓冲电路小得多),因而在低压功率变换中并不采用。

  无源无损耗缓冲电路的特点是不破坏常规PWM控制方式,设计/调试简单。尽管如此,无源无损耗缓冲电路和准谐振/零电压开关工作方式也存在一些缺点,如仅能实现关断软开关以及在反激式变换器中不太适于大负载范围变化。软开关中有源箝位是提高单管正/反激变换器效率的有效方法,最初的专利限制现在已失效,可以普遍应用。

  功率半导体器件的进步特别是PowerMOSFET的进步引发出功率变换的一系列的进步:PowerMOSFET的极快的开关速度,使开关电源的开关频率从双极晶体管的20kHz 提高到100kHz以上,有效地减小了无源储能元件(电感、电容)的体积。低压PowerMOSFET使低压同步整流成为现实,器件的导通电压从肖特基二极管的0.5V左右,降低到同步整流器的0.1V甚至更低,使低压整流器的效率至少提高了10%。高压PowerMOSFET的导通压降和开关特性的改善,提高了开关电源的初级效率。功率半导体器件的功耗的降低也使散热器和整机的体积减小。

  电源界有一个不成文的观点:不稳压的比稳压的效率高、不隔离的比隔离的效率高、窄范围输入电压的比宽范围输入的效率高。Vicor的48V输入电源模块的效率达到97%。交流输入开关电源需要功率因数校正,由于功率因数校正已具有稳压功能,在对输出纹波要求不高的应用(如输出接有蓄电池或超级电容器),可以采用功率因数校正加不调节的隔离变换器电路拓扑,国外在1986年已有产品,效率到达93%以上。

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