DC/DC变换器的发展与应用

一种交错叠加型准方波抵消纹波的变换拓扑结构是其最新的解决方案，如图1所示，该结构在保证要求输出纹波的前提下，不但可以大大减少输出滤波电容器的容量，而且能大大减少VRM输出滤波电感的电感量。除此以外，为了提高VRM的动态响应，还必须力求减小供电母线的引线电感，其最有效的解决方案是将VRM作成“装在印刷板上”的直流分布式电源形式，直接装在负载附近。另一方面，还要求VRM本身具有十分小的引线电感，为了保证VRM具有足够的效率，必须采用同步整流器和漏感很小的超薄型变压器。

3.2软开关技术

为了缩小DC/DC变换器的体积，提高功率密度，改善动态响应，高频化是DC/DC变换器技术发展的必然趋势。但高频化又会产生新的问题，如开关损耗及无源元件的损耗增大，高频寄生参数及高频EMI问题等。应用各种软开关技术(包括无源无损软开关技术，有源软开关技术)可以减少开关损耗，提高效率。

1994年2月，IEEE电力电子学会组织“功率变换技术2000年展望专题研讨会”，就DC/DC及AC/DC功率变换器的发展趋势与需求进行探讨，指出高功率密度DC/DCZVS开关变换器与器件性能、无源元件、封装技术等有很大关系。与1994年对比，2000年，在保证可靠性增加一倍的基础上，这种变换器功率密度提高一倍，成本降低一半。

进入20世纪90年代，各种软开关技术，如ZVS/ZCS—PWM、ZVT/ZCT—PWM、移相全桥ZVS—PWM、有源箝位ZVS—PWM等的开发和应用都有较大的发展。美国Vicor公司生产的48V/600WDC/DC开关变换器模块，由于采用高频软开关技术，功率密度达到7.32W/cm3,效率为90%，而3MHz、低电压(1V)输出的便携式DC/DC变换器也正在研究开发中。

3.3高频磁技术

随着电力电子电路与系统的高频化，在低频下可以忽略的某些寄生参数，在高频下将对某些电路性能(开关尖峰能量、噪声水平等)产生重大影响，尤其是磁元件的涡流、漏电感、绕组交流电阻(Rac)和分布电容等在低频和高频下的表现有很大不同。

20世纪90年代高频磁技术研究的另一项成果是适用于薄型高频开关变换器的薄型平面变压器，其厚度小于1cm，呈扁平状。绕组采用铜箔或板型印刷电路，省去绕组骨架，有利于散热，漏感小，集肤效应损耗小。2000年，磁性材料研究的主要方向是：(1)高温超导;(2)将铁氧体或其它薄膜材料高密度集成在硅片上或硅材料集成在铁氧体上;(3)录音磁头用薄膜材料高密度集成在硅片上或硅材料集成在铁氧体上。

将变压器和电感器集成在一起可缩小磁元件的体积，应用混合功率封装技术和集成磁技术可使航空用0.5MHz、薄型100W半桥式DC/DC变换器的厚度仅为5.08mm，功率密度达9.15W/cm3。压电变压器的应用也使功率变换器电路小型化，如输出24W的2MHz的DC/DC变换器，应用压电变压器的变比为5：1，在DC/DC开关电源领域有着广阔的应用前景，压电变压器

的应用将开创DC/DC变换器小型化的发展之路。

4高频开关电源的发展趋势

在电力电子技术及各种电源系统中，开关电源技术处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高频开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大地提高电源的利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通信电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。

4.1高频化

理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感器和电容器的体积和重量与供电频率的平方根成反比。所以，当我们把频率从工频50Hz提高400倍到20kHz时,则电气设备的体积和重量大体下降至工频设计的5%～l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通信电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统整流行业的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为“开关变换类电源”,可节约主要材料90%或更多,还可节电30%或更多。由于功率器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,可节能、节水、节约材料，由此带来相当可观的经济效益,更可体现技术含量的价值。

4.2数字化

在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在20世纪70年代,电力电子技术完全建立在模拟电路基础上。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制，避免模拟信号的畸变失真，减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)，便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在20世纪90年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是诸如印制版的布图、电磁兼容问题以及功率因数校正等问题的解决,离不开模拟技术,但是对于智能化的开关电源,当用计算机控制时,就需要数字化技术。

4.3绿色化

电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电,这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次是这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种校正功率因数的方法，为2l世纪批量生产各种绿色开关电源奠定了基础。

现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的拓扑电路的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下,由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大地发挥各种功率器件的特性,使器件性能对开关电源性能的不利影响减至最小,新的电源拓扑电路和新型控制技术,可使功率开关在零电压或零电流状态下工作,从而可大大提高工作频率,提高开关电源的工作效率,设计出性能优良的开关电源。

总之,电力电子及开关电源技术随应用需求而不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着IC技术的发展,以开关电源技术为核心的电子设备用开关电源,仅国内就有20多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源已是大势所趋,因此,同样具有几十亿市场需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来，另外，还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。