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通信开关电源技术发展历程和发展方向


www.fskali.com 2009-5-27 17:25:37 点击数 : 5224

  [摘要]简要回顾了20世纪通信开关电源技术发展和取得的成就;高功率密度、高功率、高性能、高可靠性仍然是今后通信开关电源的发展方向。提出了21世纪我国应注意开发的通信开关电源技术;碳化硅(SiC)功率半导体器件、平面磁心及平面变压器、集成磁元件、磁电混合集成元件、S4高功率因数开关变换器、低电压大电流DC-DC变换器(VRM)、电源EMI、可靠性和热分布的设计及测试等技术的开发、研究与应用等。

  关键词:通信 开关电源 DC-DC开关变换器 通信用AC-DC电源早期采用铁磁谐振稳压器(FerroResonance Stabilizer)和半导体整流器组成的电源系统。70年代改用相控稳压电源(Phase-Conrolled Stabilizer)以晶闸管(Thyristor)即硅可控整流元件(SCR)为主,组成380(220)V AC/48V DC稳压系统,称为相控整流器(Phase-Conrolled Rectirier)。所需±5V、±12V DC由线性电子.

  稳压电源或其它稳压电源供给。 80年代,大功率AC/DC开关电源(400V AC输入、输出48V DC、500W-6kW)成为通信系统一次电源的主流产品,称为开关整流器SMR(Switching-mode Rectifier)。配置48/±5,±12V DC-DC开关变换器模块和铃流模块,称为二次电源。开关整流器与相控整流器比较,在体积、重量和效率几方面更为优越(表1)。

  随着微处理器ULSI尺寸不断减小,供电电源的尺寸与微处理器相比更大得多,需要发展小型轻型电源(见表2);电源的小型化、轻量化,对便携式通信设备(如移动电话等)更为重要。为达到高功率密度,必须提高开关电源工作频率。下代微处理机还要求更低输出电压(≤1V)的开关电源。 对通信开关电源的要求是:高功率密度、外形尺寸小、高效率、高性能、高可靠性、高功率因数(AC输入端),以及智能化、低成本、EMI小、可制造性(Manufacturability)、分布电源结构(Distributed Power Architecture)等。

  20世纪推动开关电源性能和质量不断提高的主要技术是:

  1.新型高频功率半导体器件

 如功率MOSFET和IGBT已完全可代替功率晶体管和中小电流的晶闸管,使开关电源工作频率可达到400kHz(AC-DC开关变换器)和1MHZ(DC-DC)开关变换器,实现开关电源高频化有了可能。超快恢复功率二极管和MOSFET同步整流技术的开发,也为研制高效低电压输出(≤3V)的开关电源创造了条件。

  2.软开关技术

  PWM开关电源按硬开关模式工作(开/关过程中,电压下降/上升/下降波形有交叠),因而开关损耗大。开关电源高频化可以缩小体积重量,但开关损耗却更大了(功耗与频率成正比)。为此必须研究开关电压/电流波形不交叠的技术,即所谓零电压(ZVS)/零电流(ZCS)开关技术,或称软开关技术(相对于PWM硬开关技术而言)。

  90年代中期,30A/48V开关整流器模块采用移相全桥(Phase-shifted Full bridge)ZVS-PWM技术后,重7。比用PWM技术的同类产品,重量下降40%。软开关技术的开发和应用提高了开关电源的效率,据说,最近国外小功率DC-DC开关电源模块(48/12V)总功率可达到96%;48/5V DC-DC开关电源模块的效率可达到92-93%。20世纪末,国内生产的50-100A输出、全桥移相ZV-ZCS-PWM开关电源模块的效率超过93%。

  3.控制技术

  电流型控制及多环控制(Multi-loop control)已得到较普遍应用;电荷控制(Charge control),一周期控制(One-cycle control),数字信号处理器(DSP)控制等技术的开发及相应专用集成控制芯片的研制,使开关电源动态性能有很大提高,电路也大幅度简化。

  4.有源功率因数校正技术

  由于输入端有整流元件和滤波电容,单相AC-DC开关电源及一大类整流电源供电的电子设备,其电网侧(输入端)功率因数仅为0.65。用有源功率校正技术(Active Power Factor Correction),简称APPC,可提高到0.95-0.99,既治理了电网的谐波“污染”,又提高了开关电源的整体效率。单相APFC是DC-DC开关变换器拓扑和功率因数控制技术的具体应用,而三相APFCA则是三相PWM整流开关拓扑和功率因数控制技术的结合。 国内通信电源专业工厂已将有源功率因数校正技术应用于输出6kW、100A通信用AC-DC开关电源中,输入端功率因数可达0.92-0.93。

  5.Magamp后置调节器技术

  80年代,由于高频磁性材料,如非晶态软磁合金(Amorphous)、超微晶软磁合金(Nano-crystalline alloy)等的发展,使有可能在多路输出的高频(>100kHz)开关电源中用高频磁放大器(Magamp),即可控饱和电感(Controlled Saturable Indutor),作为其中一路输出的电压调节器(Output Regulator),称为后置调节器(Post-regulator)。其优点是:电路简单、EMI小、可靠、高效,可较精确地调节输出电压。特别适合应用于输出电流1安到几十安的开关电源。

  6.饱和电感技术

  饱和电感(Saturable inductor)是带铁心(无空隙)的线圈,其特点是:铁心的饱和程度和电感量随通过的电流大小而变。如果铁心磁特性是理想的(例如呈矩形),则饱和电感工作时,类似一个开关。在开关电源中,应用饱和电感可以吸收浪涌、抑制尖峰、消除寄生振荡,和快恢复整流管串联时可使整流管损耗减小。

  饱和电感在开关电源中的应用

  a)用作移相全桥ZVS-PWM开关电源的谐振电感,从而扩大了轻载下开关电源满足ZVS条件的范围。

  b)消除开关电源的二次寄生振荡与开关电源的隔离变压器副边输出整流管串联,可消除二次寄生振荡(Secondary parasitic ringing),减少循环能量,并使移相全桥ZVS-PWM开关电源的占控比损失最小。

  c)移相全桥ZVS-PWM开关电源中实现ZV-ZCS 和电容串接在移相全桥ZVS-PWM开关电源变压器原边,超前臂开关管按ZVS工作;当负载电流趋近于零时,电感量增大,阻止电流反向变化;创造了滞后臂开关管ZCS条件,实现移相全桥ZV-ZCS PWM开关电源.

  7.分布电源技术、并联均流技术 分布电源技术(Distributeb Power Technipue)是将250-425/48V DC-DC变换器产生的48V母线(Distributed Bus)电压,供电给负载板(Board),再通过板上(On board)若干个并联的薄型(Low Profile)DC-DC变换器,将48V变换为负载所需的3.3-5V电压。一般,DC-DC变换器的功率密度达100W/in3、效率90%,并且应当是可并联的(Parallelable)。分布电源系统适合于用超高速集成电路(Very High Speed IC-VHSIC)组成的大型工作站(如图像处理站)、大型数字电子交换系统等,其优点是:可降低48V母线上的电流和电压降;容易实现N+1冗余(Redundancy),提高了系统可靠性;易于扩增负载容量;散热好;瞬态响应好;减少电解电容器数量;可实现DC-DC变换器组件模块化(Modularity);易于使用插件连接;可在线(On line)更换失效模块等。

  8.电源智能化技术和系统的集成化技术

开关电源微处理器监控、电源系统内部通信、电源系统智能化技术以及电力电子系统的集成化与封装技术等。以上简要回顾了20世纪通信开关电源发展的历程和取得的成就,上述各项技术的应用,尤其是开发高功率密度、高效率、高性能、高可靠性以及智能化电源系统,仍然是今后通信开关电源技术的发展方向。

  进入21世纪,我国工业界、学术界、电力电子、电子电源、通信、材料等行业,还应协同开发下述和通信开关电源相关的产品和技术。

  1.探索研制耐高温的高性能碳化硅(SiC)功率半导体器件可以预见,碳化硅将是21世纪最可能成功应用的新型功率半导体器材料,碳化硅的优点是:禁带宽、工作温度高(可达600℃)、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、PN结耐压高,等等。

  2.平面磁心及平面变压器技术

  平面磁心(Planar core)的开发,可实现超薄型(Lowprofile)变压器和超薄型开关变换器。适用于便携式(Portable)电子设备电源及板上(On-board)电源。由于其结构呈宽扁形,散热面积大,更适合于高频变压器。 平面变压器要求磁心、绕组,铜箔绕组等。据报道,国外已有多家公司开发了平面变压器。提箱内可放总功率达几十kW、十几种平面变压器。效率97-99%;工作频率50/Payton公司制造的5W-20kW变压器,其体积及功率密度仅为传统高频变压器的20%,一个手提箱内可放总功率达几十kW、十几种平面变压器。效率97-99%;工作频率50kHz-2MHz;漏感<0.2%;EMI小。

  3.集成高频磁元件技术及阵列式(Matrix)磁元件技术 将多个磁元件(如多个电感,变压器和电感)集成在一个磁心上。可以减少变换器体积,降低磁元件损耗。国外已有集成磁元件变换器(Integrated Magnetics Converter)的报道:50W输出、5V及15V两路、100kHz,DC-DC正激变换器,变压器和输出滤波电感在一个磁心上实现,简称IM变换器。 阵列式磁元件技术是将电路中磁元件离散化,形成分布式阵列布置,或形成“磁结构层”,使磁结构与电路板或其他器件紧密配合,集成化。

  4.磁电混合集成技术

  包括磁心与晶体管硅片集成、利用电感箔式绕组层间分布电容实现磁元件与电容混合集成等。

  5.新型电容器。

  研究开发适合于能源和功率系统用的新型电容器,要求电容量大、等效串联电阻(ESR)小、体积小等。据报道,美国南卡罗里那州KEMET电子公司在90年代末,已开发出330μF新型固体(Solid Tantalum)电容,其ESR从原来的500mΩ降到30mΩ。

  6.S4功率因数校正(PF Corrected)AC-DC开关变换技术一般高功率因数AC-DC开关电源,要用两个电力电子电路串级(Cascade)运行,在DC-DC开关变换器前加一级前置功率因数校正器。对于小功率PWM开关电源,至少需要两个主开关管和两套控制驱动电路,总体效率低、成本高。 用一级AC-DC开关变换器实现小功率稳压或稳流电源,并使输入端功率因数(PF)校正到0.8以上,称为单管单级(Single Switch Stage),简称S4功率因数校正(PF Corrected)AC-DC开关变换器。例如,前置功率因数校正用DCM运行的DCM运行;两级电路合用一个主开关管,因为反激电路有隔离变换器,故称S4功率因数校正隔离式AC-DC开关变换器。当然,如果加有源钳位或其他软开关技术,还需要一个辅助开关管,称为单级(Single Stage-S2)有隔离正软开关电源的实验结果;效率86.5%,功率因数0.98,THD13%,开关频率150kHz,输入155VAC,输出28V,80W。

  7.输出1V/50A的低电压大电流DC-DC变换器。

  为适应下一代快速微处理器、可携带式通讯设备、服务器(Server)等供电的需求,要求开发低输出电压、大电流DC-DC开关变换器,或称电压调节器模块VRM(Voltage Regulator Module)。其输出电压为1.1-1.8V,输出电流达50-100A,电流转换速率达5A/ns。

  由于电路有高频寄生参数,当电流大幅度变化时,引起输出电压扰动。为防止这种扰动,过去采用增大输出滤波电容、电感的方法,但缺点甚多。国外开发了用多输入通道(Multi Channel)或多相(Multi-Phase)DC-DC变换器作为服务器的电源。输出采用波形交错叠加(Interleaving)方案,保证VRM输出纹波小,改善输出瞬态响应,并减少输出滤波电感和电容。 表3为减小VRM输出纹波的两种方案比

  8.通信开关电源的设计、测试技术主要是电源热设计及测试,EMI设计及测试,可靠性设计及测试等技术的开发、研究与应用。

  

  sunny声明:我在见到原文时,文中所提到的表格即没有找到,是一大遗憾!若那位朋友曾经见过,不妨告之,十分感谢!

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