開關電源技術未來發展趨勢分析-南通嘉科電源制造有限公司
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        開關電源技術未來發展趨勢分析




        通信業的迅速發展極大地推動了通信電源的發展,開關電源在通信系統中處于核心地位,并已成為現代通信供電系統的主流。在通信領域中,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。隨著大規模集成電路的發展,要求電源模塊實現小型化,因而需要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構,這就對高頻開關電源技術提出了更高的要求。
          1 通信用高頻開關電源技術的發展
          通信用高頻開關電源技術的發展基本上可以體現在幾個方面:變換器拓撲、建模與仿真、數字化控制及磁集成。
          1.1 變換器拓撲
          軟開關技術、功率因數校正技術及多電平技術是近年來變換器拓撲方面的熱點。采用軟開關技術可以有效的降低開關損耗和開關應力,有助于變換器效率的提高;采用PFC技術可以提高AC/DC變換器的輸入功率因數,減少對電網的諧波污染;而多電平技術主要應用在通信電源三相輸入變換器中,可以有效降低開關管的電壓應力。同時由于輸入電壓高,采用適當的軟開關技術以降低開關損耗,是多電平技術將來的重要研究方向。
          為了降低變換器的體積,需要提高開關頻率而實現高的功率密度,必須使用較小尺寸的磁性材料及被動元件,但是提高頻率將使MOSFET的開關損耗與驅動損耗大幅度增加,而軟開關技術的應用可以降低開關損耗。目前的通信電源工程應用最為廣泛的是有源鉗位ZVS技術、上世紀90年代初誕生的ZVS移相全橋技術及90年代后期提出的同步整流技術。
          1.1.1 ZVS 有源鉗位
          有源箝位技術歷經三代,且都申報了專利。第一代為美國VICOR公司的有源箝位ZVS技術,將DC/DC的工作頻率提高到1 MHZ,功率密度接近200 W/in3,然而其轉換效率未超過90 %。為了降低第一代有源箝位技術的成本,IPD公司申報了第二代有源箝位技術專利,其采用P溝道MOSFET,并在變壓器二次側用于forward電路拓撲的有源箝位,這使產品成本減低很多。但這種方法形成的MOSFET的零電壓開關(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位時不白白消耗掉,一位美籍華人工程師于2001年申請了第三代有源箝位技術專利,其特點是在第二代有源箝位的基礎上將磁芯復位時釋放出的能量轉送至負載,所以實現了更高的轉換效率。它共有三個電路方案:其中一個方案可以采用N溝MOSFET,因而工作頻率可以更高,采用該技術可以將ZVS軟開關、同步整流技術都結合在一起,因而其實現了高達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90年代中期,ZVS移相全橋軟開關技術已廣泛地應用于中、大功率電源領域。該項技術在MOSFET的開關速度不太理想時,對變換器效率的提升起了很大作用,但其缺點也不少。第一個缺點是增加一個諧振電感,其導致一定的體積與損耗,并且諧振電感的電氣參數需要保持一致性,這在制造過程中是比較難控制的;第二個缺點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,而移相全橋對二次側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,需另加邏輯電路以提供準確的次極同步整流控制信號;如今最新的移相全橋PWM控制器如LTC1922/1、LTC3722-1/-2,雖然已增加二次側同步整流控制信號,但仍不能有效地達到二次側的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的另一個重大改進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。
          1.1.3 同步整流
          同步整流包括自驅動與外部驅動。自驅動同步整流方法簡單易行,但是次級電壓波形容易受到變壓器漏感等諸多因素的影響,造成批量生產時可靠性較低而較少應用于實際產品中。對于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動IC,這樣可以達到較好的電氣性能與更高的可靠性。
          TI公司提出了預測驅動策略的芯片UCC27221/2,動態調節死區時間以降低體二極管的導通損耗。ST公司也設計出類似的芯片STSR2/3,不僅用于反激也適用于正激,同時改進了連續與斷續導通模式的性能。美國電力電子系統中心(CPES)研究了各種諧振驅動拓撲以降低驅動損耗[2],并于1997年提出一種新型的同步整流電路,稱為準方波同步整流,可以較大地降低同步整流管體二極管的導通損耗與反向恢復損耗,并且容易實現初級主開關管的軟開關[3]。凌特公司推出的同步整流控制芯片 LTC3900和LTC3901可以更好地應用于正激、推挽及全橋拓撲中。
          ZVS及ZCS同步整流技術也已開始應用,例如有源鉗位正激電路的同步整流驅動(NCP1560),雙晶體管正激電路的同步整流驅動芯片LTC1681及LTC1698,但其都未取得對稱型電路拓樸ZVS/ZCS同步整流的優良效果。
          1.2 建模與仿真
          開關型變換器主要有小信號與大信號分析兩種建模方法。
          小信號分析法:主要是狀態空間平均法[4],由美國加里福尼亞理工學院的R.D.Middlebrook于1976年提出,可以說這是電力電子學領域建模分析的第一個真正意義的重大突破。后來出現的如電流注入等效電路法、等效受控源法(該法由我國學者張興柱于1986年提出)、三端開關器件法等,這些均屬于電路平均法的范疇。平均法的缺點是明顯的,對信號進行了平均處理而不能有效地進行紋波分析;不能準確地進行穩定性分析;對諧振類變換器可能不大適合;關鍵的一點是,平均法所得出的模型與開關頻率無關,且適用條件是電路中的電感電容等產生的自然頻率必須要遠低于開關頻率,準確性才會較高。
          大信號分析法:有解析法,相平面法,大信號等效電路模型法,開關信號流法,n次諧波三端口模型法,KBM法及通用平均法。還有一個是我國華南理工大學教授丘水生先生于1994年提出的等效小參量信號分析法[5],不僅適用于PWM變換器也適用于諧振類變換器,并且能夠進行輸出的紋波分析。
          建模的目的是為了仿真,繼而進行穩定性分析。1978年,R.Keller首次運用R.D.Middlebrook的狀態空間平均理論進行開關電源的SPICE仿真[6]。近30年來,在開關電源的平均SPICE模型的建模方面,許多學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的開關電感模型;Dr.RayRidley的模型;基于Dr.VatcheVorperian的Orcad9.1的開關電源平均Pspice模型;基于Steven Sandler的ICAP4的開關電源平均Isspice模型;基于Dr. VincentG.Bello的Cadence的開關電源平均模型等等。在使用這些模型的基礎上,結合變換器的主要參數進行宏模型的構建,并利用所建模型構成的DC/DC變換器在專業的電路仿真軟件(Matlab、Pspice等)平臺上進行直流分析、小信號分析以及閉環大信號瞬態分析。
          由于變換器的拓撲日新月異,發展速度極快,相應地,對變換器建模的要求也越來越嚴格??梢哉f,變換器的建模必須要趕上變換器拓撲的發展步伐,才能更準確地應用于工程實踐。
          1.3 數字化控制
          數字化的簡單應用主要是保護與監控電路,以及與系統的通信,目前已大量地應用于通信電源系統中。其可以取代很多模擬電路,完成電源的起動、輸入與輸出的過、欠壓保護、輸出的過流與短路保護,及過熱保護等,通過特定的介面電路,也能完成與系統間的通訊與顯示。
          數字化的更先進應用包含不但實現完善的保護與監控功能,也能輸出PWM波,通過驅動電路控制功率開關器件,并實現閉環控制功能。目前,TI、ST及Motorola公司等均推出了專用的電機與運動控制DSP芯片?,F階段通信電源的數字化主要采取模擬與數字相結合的形式,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,和頻率設置、輸出電壓的調節及保護與監控等功能。
          為了達到更快的動態響應,許多先進的控制方法已逐漸提出。例如,安森美公司提出改進型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也提出了多種其他的控制思想[7,8,9]。數字控制可以提高系統的靈活性,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際問題。
          1.4 磁集成
          隨著開關頻率的提高,開關變換器的體積隨之減少,功率密度也得到大幅提升,但開關損耗將隨之增加,并且將使用更多的磁性器件,因而占據更多的空間。
          國外對于磁性元件集成技術的研究較為成熟,有些廠商已將此技術應用于實際的通信電源中。其實磁集成并不是一個新概念,早在20世紀70年代末,Cuk在提出Cuk變換器時就已提出磁集成的思想。自1995年至今,美國電力電子系統并中心(CPES)對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多相BUCK電感集成做了深入研究[10,11,12],且應用于各種不同類型的變換器中。2002年,香港大學Yim-Shu Lee等人也提出一系列對于磁集成技術的探討與設計[13,14,15]。
          常規的磁性元件設計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,材質與繞組的確定,及鐵損和銅損的評估等。但是磁集成技術除此之外,還必須考慮磁通不平衡的問題,因為磁通分布在鐵心的每一部分其等效總磁通量是不同的,有些部分可能會提前飽和。因此,磁性器件集成的分析與研究將會更加復雜與困難。但是,其所帶來的高功率密度的優勢,必是將來通信電源的一大發展趨勢。
          1.5 制造工藝
          通信用高頻開關電源的制造工藝相當復雜,并且直接影響到電源系統的電氣功能、電磁兼容性及可靠性,而可靠性是通信電源的首要指標。生產制造過程中完備的檢測手段,齊全的工藝監控點與防靜電等措施的采用在很大程度上延續了產品最佳的設計性能,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年起對電子產品要求無鉛工藝,這將對通信電源中器件的選用及生產制造過程的控制提出更高、更嚴格的要求。
          目前更為吸引的技術是美國電力電子系統中心(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”。采用先進的封裝技術而降低寄生因素以改進電路中的電壓振鈴 與效率,將驅動電路與功率器件集成在一起以提高驅動的速度因而降低開關損耗。電力電子集成技術不僅能夠改進瞬態電壓的調節,也能改進功率密度與系統的效率。但是,這樣的集成模塊目前存在許多挑戰,主要是被動與主動器件的集成方式,并且較難達到最佳的熱設計。CPEC對電力電子集成技術進行了多年的研究,提出了許多有用的方法、結構與模型。



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