開關(guān)電源技術(shù)未來發(fā)展趨勢(shì)分析
通信業(yè)的迅速發(fā)展極大地推動(dòng)了通信電源的發(fā)展，開關(guān)電源在通信系統(tǒng)中處于核心地位，并已成為現(xiàn)代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領(lǐng)域中，通常將高頻整流器稱為一次電源，而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，要求電源模塊實(shí)現(xiàn)小型化，因而需要不斷提高開關(guān)頻率和采用新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這就對(duì)高頻開關(guān)電源技術(shù)提出了更高的要求。
1 通信用高頻開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展
通信用高頻開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展基本上可以體現(xiàn)在幾個(gè)方面：變換器拓?fù)洹⒔Ｅc仿真、數(shù)字化控制及磁集成。
1.1 變換器拓?fù)?/P>
軟開關(guān)技術(shù)、功率因數(shù)校正技術(shù)及多電平技術(shù)是近年來變換器拓?fù)浞矫娴臒狳c(diǎn)。采用軟開關(guān)技術(shù)可以有效的降低開關(guān)損耗和開關(guān)應(yīng)力，有助于變換器效率的提高；采用PFC技術(shù)可以提高AC/DC變換器的輸入功率因數(shù)，減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染；而多電平技術(shù)主要應(yīng)用在通信電源三相輸入變換器中，可以有效降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力。同時(shí)由于輸入電壓高，采用適當(dāng)?shù)能涢_關(guān)技術(shù)以降低開關(guān)損耗，是多電平技術(shù)將來的重要研究方向。
為了降低變換器的體積，需要提高開關(guān)頻率而實(shí)現(xiàn)高的功率密度，必須使用較小尺寸的磁性材料及被動(dòng)元件，但是提高頻率將使MOSFET的開關(guān)損耗與驅(qū)動(dòng)損耗大幅度增加，而軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用可以降低開關(guān)損耗。目前的通信電源工程應(yīng)用最為廣泛的是有源鉗位ZVS技術(shù)、上世紀(jì)90年代初誕生的ZVS移相全橋技術(shù)及90年代后期提出的同步整流技術(shù)。
1.1.1 ZVS 有源鉗位
有源箝位技術(shù)歷經(jīng)三代，且都申報(bào)了專利。第一代為美國VICOR公司的有源箝位ZVS技術(shù)，將DC/DC的工作頻率提高到1 MHZ，功率密度接近200 W/in3，然而其轉(zhuǎn)換效率未超過90 %。為了降低第一代有源箝位技術(shù)的成本，IPD公司申報(bào)了第二代有源箝位技術(shù)專利，其采用P溝道MOSFET，并在變壓器二次側(cè)用于forward電路拓?fù)涞挠性大槲唬@使產(chǎn)品成本減低很多。但這種方法形成的MOSFET的零電壓開關(guān)（ZVS）邊界條件較窄，而且PMOS工作頻率也不理想。為了讓磁能在磁芯復(fù)位時(shí)不白白消耗掉，一位美籍華人工程師于2001年申請(qǐng)了第三代有源箝位技術(shù)專利，其特點(diǎn)是在第二代有源箝位的基礎(chǔ)上將磁芯復(fù)位時(shí)釋放出的能量轉(zhuǎn)送至負(fù)載，所以實(shí)現(xiàn)了更高的轉(zhuǎn)換效率。它共有三個(gè)電路方案：其中一個(gè)方案可以采用N溝MOSFET，因而工作頻率可以更高，采用該技術(shù)可以將ZVS軟開關(guān)、同步整流技術(shù)都結(jié)合在一起，因而其實(shí)現(xiàn)了高達(dá)92 %的效率及250 W/in3以上的功率密度。
1.1.2 ZVS 移相全橋
從20世紀(jì)90年代中期，ZVS移相全橋軟開關(guān)技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于中、大功率電源領(lǐng)域。該項(xiàng)技術(shù)在MOSFET的開關(guān)速度不太理想時(shí)，對(duì)變換器效率的提升起了很大作用，但其缺點(diǎn)也不少。第一個(gè)缺點(diǎn)是增加一個(gè)諧振電感，其導(dǎo)致一定的體積與損耗，并且諧振電感的電氣參數(shù)需要保持一致性，這在制造過程中是比較難控制的；第二個(gè)缺點(diǎn)是丟失了有效的占空比[1]。此外，由于同步整流更便于提高變換器的效率，而移相全橋?qū)Χ蝹?cè)同步整流的控制效果并不理想。最初的PWM ZVS移相全橋控制器，UC3875/9及UCC3895僅控制初級(jí)，需另加邏輯電路以提供準(zhǔn)確的次極同步整流控制信號(hào)；如今最新的移相全橋PWM控制器如LTC1922/1、LTC3722-1/-2，雖然已增加二次側(cè)同步整流控制信號(hào)，但仍不能有效地達(dá)到二次側(cè)的ZVS/ZCS同步整流，但這是提高變換器效率最有效的措施之一。而LTC3722-1/-2的另一個(gè)重大改進(jìn)是可以減小諧振電感的電感量，這不僅降低了諧振電感的體積及其損耗，占空比的丟失也所改進(jìn)。
1.1.3 同步整流
同步整流包括自驅(qū)動(dòng)與外部驅(qū)動(dòng)。自驅(qū)動(dòng)同步整流方法簡單易行，但是次級(jí)電壓波形容易受到變壓器漏感等諸多因素的影響，造成批量生產(chǎn)時(shí)可靠性較低而較少應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品中。對(duì)于12 V以上至20 V左右輸出電壓的變換則多采用專門的外部驅(qū)動(dòng)IC，這樣可以達(dá)到較好的電氣性能與更高的可靠性。
TI公司提出了預(yù)測驅(qū)動(dòng)策略的芯片UCC27221/2，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間以降低體二極管的導(dǎo)通損耗。ST公司也設(shè)計(jì)出類似的芯片STSR2/3，不僅用于反激也適用于正激，同時(shí)改進(jìn)了連續(xù)與斷續(xù)導(dǎo)通模式的性能。美國電力電子系統(tǒng)中心（CPES）研究了各種諧振驅(qū)動(dòng)拓?fù)湟越档万?qū)動(dòng)損耗[2]，并于1997年提出一種新型的同步整流電路，稱為準(zhǔn)方波同步整流，可以較大地降低同步整流管體二極管的導(dǎo)通損耗與反向恢復(fù)損耗，并且容易實(shí)現(xiàn)初級(jí)主開關(guān)管的軟開關(guān)[3]。凌特公司推出的同步整流控制芯片 LTC3900和LTC3901可以更好地應(yīng)用于正激、推挽及全橋拓?fù)渲小?/P>
ZVS及ZCS同步整流技術(shù)也已開始應(yīng)用，例如有源鉗位正激電路的同步整流驅(qū)動(dòng)（NCP1560），雙晶體管正激電路的同步整流驅(qū)動(dòng)芯片LTC1681及LTC1698，但其都未取得對(duì)稱型電路拓樸ZVS/ZCS同步整流的優(yōu)良效果。
1.2 建模與仿真
開關(guān)型變換器主要有小信號(hào)與大信號(hào)分析兩種建模方法。
小信號(hào)分析法：主要是狀態(tài)空間平均法[4]，由美國加里福尼亞理工學(xué)院的R.D.Middlebrook于1976年提出，可以說這是電力電子學(xué)領(lǐng)域建模分析的第一個(gè)真正意義的重大突破。后來出現(xiàn)的如電流注入等效電路法、等效受控源法（該法由我國學(xué)者張興柱于1986年提出）、三端開關(guān)器件法等，這些均屬于電路平均法的范疇。平均法的缺點(diǎn)是明顯的，對(duì)信號(hào)進(jìn)行了平均處理而不能有效地進(jìn)行紋波分析；不能準(zhǔn)確地進(jìn)行穩(wěn)定性分析；對(duì)諧振類變換器可能不大適合；關(guān)鍵的一點(diǎn)是，平均法所得出的模型與開關(guān)頻率無關(guān)，且適用條件是電路中的電感電容等產(chǎn)生的自然頻率必須要遠(yuǎn)低于開關(guān)頻率，準(zhǔn)確性才會(huì)較高。
大信號(hào)分析法：有解析法，相平面法，大信號(hào)等效電路模型法，開關(guān)信號(hào)流法，n次諧波三端口模型法，KBM法及通用平均法。還有一個(gè)是我國華南理工大學(xué)教授丘水生先生于1994年提出的等效小參量信號(hào)分析法[5]，不僅適用于PWM變換器也適用于諧振類變換器，并且能夠進(jìn)行輸出的紋波分析。
建模的目的是為了仿真，繼而進(jìn)行穩(wěn)定性分析。1978年，R.Keller首次運(yùn)用R.D.Middlebrook的狀態(tài)空間平均理論進(jìn)行開關(guān)電源的SPICE仿真[6]。近30年來，在開關(guān)電源的平均SPICE模型的建模方面，許多學(xué)者都建立了各種各樣的模型理論，從而形成了各種SPICE模型。這些模型各有所長，比較有代表性的有：Dr.SamBenYaakov的開關(guān)電感模型；Dr.RayRidley的模型；基于Dr.VatcheVorperian的Orcad9.1的開關(guān)電源平均Pspice模型；基于Steven Sandler的ICAP4的開關(guān)電源平均Isspice模型；基于Dr. VincentG.Bello的Cadence的開關(guān)電源平均模型等等。在使用這些模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合變換器的主要參數(shù)進(jìn)行宏模型的構(gòu)建，并利用所建模型構(gòu)成的DC/DC變換器在專業(yè)的電路仿真軟件（Matlab、Pspice等）平臺(tái)上進(jìn)行直流分析、小信號(hào)分析以及閉環(huán)大信號(hào)瞬態(tài)分析。
由于變換器的拓?fù)淙招略庐悾l(fā)展速度極快，相應(yīng)地，對(duì)變換器建模的要求也越來越嚴(yán)格。可以說，變換器的建模必須要趕上變換器拓?fù)涞陌l(fā)展步伐，才能更準(zhǔn)確地應(yīng)用于工程實(shí)踐。
1.3 數(shù)字化控制
數(shù)字化的簡單應(yīng)用主要是保護(hù)與監(jiān)控電路，以及與系統(tǒng)的通信，目前已大量地應(yīng)用于通信電源系統(tǒng)中。其可以取代很多模擬電路，完成電源的起動(dòng)、輸入與輸出的過、欠壓保護(hù)、輸出的過流與短路保護(hù)，及過熱保護(hù)等，通過特定的介面電路，也能完成與系統(tǒng)間的通訊與顯示。
數(shù)字化的更先進(jìn)應(yīng)用包含不但實(shí)現(xiàn)完善的保護(hù)與監(jiān)控功能，也能輸出PWM波，通過驅(qū)動(dòng)電路控制功率開關(guān)器件，并實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制功能。目前，TI、ST及Motorola公司等均推出了專用的電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制DSP芯片。現(xiàn)階段通信電源的數(shù)字化主要采取模擬與數(shù)字相結(jié)合的形式，PWM部分仍然采用專門的模擬芯片，而DSP芯片主要參與占空比控制，和頻率設(shè)置、輸出電壓的調(diào)節(jié)及保護(hù)與監(jiān)控等功能。
為了達(dá)到更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，許多先進(jìn)的控制方法已逐漸提出。例如，安森美公司提出改進(jìn)型V2控制，英特矽爾公司提出Active-droop控制，Semtech公司提出電荷控制，仙童公司提出Valley電流控制，IR公司提出多相控制，并且美國的多所大學(xué)也提出了多種其他的控制思想[7，8，9]。數(shù)字控制可以提高系統(tǒng)的靈活性，提供更好的通信介面、故障診斷能力、及抗干擾能力。但是，在精密的通信電源中，控制精度、參數(shù)漂移、電流檢測與均流，及控制延遲等因素將是需要急待解決的實(shí)際問題。
1.4 磁集成
隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)變換器的體積隨之減少，功率密度也得到大幅提升，但開關(guān)損耗將隨之增加，并且將使用更多的磁性器件，因而占據(jù)更多的空間。
國外對(duì)于磁性元件集成技術(shù)的研究較為成熟，有些廠商已將此技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際的通信電源中。其實(shí)磁集成并不是一個(gè)新概念，早在20世紀(jì)70年代末，Cuk在提出Cuk變換器時(shí)就已提出磁集成的思想。自1995年至今，美國電力電子系統(tǒng)并中心（CPES）對(duì)磁性器件集成作了很多的研究工作，使用耦合電感的概念對(duì)多相BUCK電感集成做了深入研究[10，11，12]，且應(yīng)用于各種不同類型的變換器中。2002年，香港大學(xué)Yim-Shu Lee等人也提出一系列對(duì)于磁集成技術(shù)的探討與設(shè)計(jì)[13，14，15]。
常規(guī)的磁性元件設(shè)計(jì)方法極其繁瑣且需要從不同的角度來考慮，如磁心的大小選擇，材質(zhì)與繞組的確定，及鐵損和銅損的評(píng)估等。但是磁集成技術(shù)除此之外，還必須考慮磁通不平衡的問題，因?yàn)榇磐ǚ植荚阼F心的每一部分其等效總磁通量是不同的，有些部分可能會(huì)提前飽和。因此，磁性器件集成的分析與研究將會(huì)更加復(fù)雜與困難。但是，其所帶來的高功率密度的優(yōu)勢(shì)，必是將來通信電源的一大發(fā)展趨勢(shì)。
1.5 制造工藝
通信用高頻開關(guān)電源的制造工藝相當(dāng)復(fù)雜，并且直接影響到電源系統(tǒng)的電氣功能、電磁兼容性及可靠性，而可靠性是通信電源的首要指標(biāo)。生產(chǎn)制造過程中完備的檢測手段，齊全的工藝監(jiān)控點(diǎn)與防靜電等措施的采用在很大程度上延續(xù)了產(chǎn)品最佳的設(shè)計(jì)性能，而SMD貼片器件的廣泛使用將可以大大提高焊接的可靠性。歐美國家將從2006年起對(duì)電子產(chǎn)品要求無鉛工藝，這將對(duì)通信電源中器件的選用及生產(chǎn)制造過程的控制提出更高、更嚴(yán)格的要求。
目前更為吸引的技術(shù)是美國電力電子系統(tǒng)中心（CPEC）在近幾年提出的電力電子集成模塊（IPEM）的概念[16]，俗稱“積木”。采用先進(jìn)的封裝技術(shù)而降低寄生因素以改進(jìn)電路中的電壓振鈴 與效率，將驅(qū)動(dòng)電路與功率器件集成在一起以提高驅(qū)動(dòng)的速度因而降低開關(guān)損耗。電力電子集成技術(shù)不僅能夠改進(jìn)瞬態(tài)電壓的調(diào)節(jié)，也能改進(jìn)功率密度與系統(tǒng)的效率。但是，這樣的集成模塊目前存在許多挑戰(zhàn)，主要是被動(dòng)與主動(dòng)器件的集成方式，并且較難達(dá)到最佳的熱設(shè)計(jì)。CPEC對(duì)電力電子集成技術(shù)進(jìn)行了多年的研究，提出了許多有用的方法、結(jié)構(gòu)與模型。
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