高频开关电源的发展现状

牛人总结的开关电源的发展现状

高频开关电源从产生发展至今，其各方面性能有了普遍提高。随着现代电力电子技术的飞速发展，越来越多的高新技术被成功应用到高频开关电源中，极大地提高了高频开关电源的各方面性能。

1 逐渐淘汰线性电源

高频开关电源在技术上较线性电源具有很大优势，节省了用来制造工频变压器的材料和空间，体积小、质量轻、可靠性高且性价比好，易于实现各种不同功率的输出。随着高频开关电源开关频率的不断提高及高频滤波技术的同步发展，原来困扰开关电源的输出纹波大等问题得以克服，开关电源的输出纹波可与线性电源相媲美，促使在各行业逐渐淘汰线性电源。

2 开关频率已达MHz级

高频开关电源自20世纪70年代突破20kHz以来，随着技术的进步，其产品的频率一路飙升到500kHz～1MHz。世界上很多国家都在致力于MHz级的高频开关电源的研究。我国在这方面的研究较为滞后，但是已经取得了一定的成果。

3 小型化发展迅速

通过对高频开关电源原理的分析和实际应用证明，电源使用的电容、电感、变压器的体积和质量与电源工作频率的平方根成反比。依据这个原理，高频开关电源的频率提高必然促成了体积的减小。电源小型化能使产品轻便、节省材料消耗和降低成本，具有很重要的经济价值。

4 效率得到较大提高

由于各种新技术的运用，世界上高频开关电源的效率达到95%以上，国内应用软开关技术制造的6kW通信开关电源的效率已达到了93%。

5 提高频率和减少体积不可避免面临许多难题

随着开关频率的提高，必将带来很多负面影响，包括开关元件和无源元件损耗的增加、元件高频寄生参数和电磁干扰EMI等，都必须兼顾考虑。

6 软开关技术发展应用日趋成熟

由于软开关技术在理论上可以将开关损耗降低为零，因此该技术始终是研究的热点。其电路可分为:准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。目前发展应用成熟的技术包括:有源钳位ZVS软开关技术和全桥移相ZVS软开关技术，效率可达90%以上。

7 软开关与硬开关结合技术取得较好效果

开关技术的出现并没有使硬开关技术逐渐没落，相反通过与软开关技术结合，焕发出新的活力。如零电流变换(ZCT)和零电压变换(ZVT)技术，兼有软开关的开关损耗小、EMI低、频率高、效率高、节能效果好等优点和硬开关的开关管电压、电流容量定额小和易于实现滤波等优点。

8 同步整流技术极大提高了开关电源的转换效率

同步整流技术通过使用导通电阻极低(不大于3mΩ)的MOSFET，替代传统的二极管作为逆变后的整流器件，通过控制器产生与整流电压相位同步的栅极驱动信号控制同步整流器正常工作，这种方法可以极大降低整流损耗，主要应用于低压大电流功率变换器中。

9 高频有源功率因数校正(PFC)技术有效提高功率因数

高频开关电源就像是交流电网上的非线性负载，所产生的高次谐波电流从输电线辐射出去而污染电网，造成很大危害。PFC技术能有效地减少高频开关电源对电网的污染，主要运用的是有源PFC技术。高频有源PFC技术使电源输入电流实现正弦化，且与输入电源保持同相位，达到谐波抑制的目的。目前，主要的有源PFC技术包括两级PFC技术和单级PFC技术两种。

10 电磁兼容性(EMC)的设计技术有效降

低高频开关电磁干扰由于高频开关电源的结构特点，伴随着开关电源开关操作时急剧的电压和电流变化而产生的浪涌和噪声，将作为传导噪声或辐射噪声传递至设备的外部，从而引发电磁干扰(EMI)问题。EMC设计技术可以有效地解决这个问题。目前抑制电源EMI的三种重要的新技术包括周期扩频、随机扩频和混沌扩频。周期调频已应用于商品电源中，而后两种调频技术正在发展之中。

11 电源电路、电源系统的模块化提升了电源品质

目前，为了便于设计人员灵活使用各功能模块，提高制造效率、降低成本、减小体积和提高可靠性，制造商将PFC、ZVS、ZCS、PWM控制、并联均流控制和移相全桥控制等控制功能集成在专用芯片内，把功率开关器件同控制、驱动、保护、检测等电路封装在一个模块内构成电力电子器件模块。此外，制造商将控制、功率半导体器件和信息传输等功能全部集成在一个模块中，通过取消传统连线和电、热、结构的优化设计，达到缩小体积、降低寄生参数和提高产品可靠性的目的。

12 单台功率输出不高限制国内大功率电源领域的应用

目前，国内的大功率高频开关电源产品稀少且性能欠佳，而且单机容量大于20kW的大功率高频开关电源在国内外极为少见，单机输出电流一般在1000A以下。这些问题造成高频开关电源在国内电化学和冶金等需要大功率(几百千瓦或几兆瓦以上)电源的领域还未得到应用。构成高频开关电源主功率电路的最基本、最重要的两大要素:电力电子器件和磁性器件的输出功率不高，是目前阻碍功率提升的主要瓶颈。

13 分布式电源系统极大提升电源输出功率

分布式高频开关电源系统通过电源模块并联运行的方式，采用系统均流、N+M冗余设计和热插拔技术，使得每个变换器处理较小的功率以降低电应力，突破了单台输出功率不够大的瓶颈，将输出功率提升到几十千瓦甚至几百千瓦，大大提高了系统的可靠性。此外，这种系统能扩展出多种功率输出，降低了开发成本。

14 PWM反馈回路的数字控制技术得到实际应用

基于电子设计自动化(EDA)技术、单片机技术和数字信号处理器(DSP)技术等数字技术开发的数字电源通过软件和硬件设计，可以替代模拟电路，实现PWM反馈回路的数字控制。DSP可通过内置PID算法生成数字PWM波形控制主 功率变换器;配合A/D转换和CPLD等芯片检测系统电流、电压和温度参数，经内部处理调整PWM信号输出，实现调节电源输出和各种保护功能，还可以对同步整流电路进行精确的同步控制。

15 基于数字技术开发的电源管理与通信功能提高产品性能

数字高频开关电源能通过接口电路，外接键盘和液晶显示器，进行人机交互操作;通过串口RS485、RS232或CAN总线等接口与上位机进行数据的通信，实现遥测遥控。数字电源的网络接口，便于实现在线维护、自检和升级，极大提高了产品的可靠性和使用寿命。

16 数字技术方便产品设计

各种功能的集成数字电路、数字控制芯片以及先进的EDA技术、单片机技术和DSP技术使得设计人员能够摆脱以往繁复的模拟电路设计，专注于电源产品的质量、性能和功能的完善。通过运用计算机辅助设计(CAD)手段，包括TOPs-witch(PROTEL)、DXP等电路设计软件，可以提高电源产品的开发效率，缩短研发周期。目前流行的Pspice和Matleb等仿真软件不能完全仿真高频开关电源的高频寄生参数，只能在前期研究中提供参考，无法做到完全的仿真设计。

审核编辑：汤梓红