开关电源资料54592说课材料.doc

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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。开关电源资料54592-开关电源概述什么是开关电源：随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（P

2、WM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。一、开关电源的发展历程：电子技术的飞速发展，作为电子系统心脏的电源也获得了空前进展。开关电源和线性电源是现代电子电源发展的两个主要方面，开关电源以功耗小、效率高、体积小、重量轻的优势几乎席卷了整个电子界，而线性电源则以其固有的稳定性仍占有一席之地。为了顺应现代电子技术设备对多种电压和电

3、流的需求，在满足体积小、重量轻、效率高、抗干扰能力强的同时，还应有更好的可靠性和经济经济性。开关电源的发展经历了从线性电源、相控电源到开关电源的发展历程，由于开关电源具有功率转换效率高、稳压范围宽、功率密度比大、重量轻等优点，从而取代了相控电源，成为通信电源的主体，并向着高频小型化、高效率、高可靠的方向发展。计算机控制、计算机通信和计算机网络技术的快速发展，为通信电源监控系统的发展和完善提供了外部条件，使其发展逐步实现少人值守，直至无人值守。二、开关电源市场情况：开关电源的研究开发和生产是从七十年化兴起的，八十年代初中国也开始了开关电源的研究工作，现在，开关电源已经在各种整机产品上得到了广泛的

4、应用，其发展速度是惊人的。其应用领域主要有：1、邮电通信：作程控交换机、移动通信基站电源。2、计算机：人微言轻各种PC机服务器、工业控制机的开关电源。3、家用电子产品：目前使用开关电源的家用电子产品有电视机、影碟机等。4、其它行业：如电力、航天。军事等领域。（一）国际开关电源市场情况据资料显示，全球开关电源市场从1999年到2003年每年平均年增长率保持在10%以上。这是由于作为电源和开关电源最主要用户的计算机及其外转设备市场的不断发展，以通讯通信业的异军突起，促进了开关电源市场的日益增长，使全球开关电源市场呈现十分美好的前景。目前，在计算机、电子仪器仪表和通信设备中应用得最多的开关电源，有A

5、C/DC、DC/DC两种。到2003年，AC/DC产品所占的市场份额，将从1999年的76%减少为70%，而DC/DC产品所占的市场份额，将从1999年的24%增长为28%。开关电源除了主要应用在计算机、仪器仪表和通信领域之外，还普遍用在通用工业和消费电子产品领域。开关电源产品的特点是体积小、重量轻、效率高，正在向着模块化、因数、抗电磁干扰性强以及附加备用电池的方向发展。在开关电源领域，正在开展一毓的技术革新，例如功率系数的校正、相位调制、高频电源、零和零电流转换以及单片式转换调节器等，所有这些改进，都使开关电源的性能和效率大为提高，使其应用范围大拓宽，在新兴的通信领域大有用武之地。2003年

6、上半年，世界上生产开关电源的厂商已达800多家。虽然开发电源的厂商不少，但是由于业内的竞争异常激烈，目前还没有哪一家有独家垄断市场。日本和美国的电子工业和通信业很发达，因此对开关电源的需求量非常大。日本约占全球市场的50%；美国约占29%；欧洲约占11%；亚洲（除日本外）约占5%。虽然亚洲目前在全球开关电源市场上所占比例尚小，但是，据预测，到2005年，由于亚洲通信业的高速发展，对开关电源的需求也将与日俱增，其需求量在全球市场上的比例将翻一番，上升至12%，并且这个比例还将在对世纪初期继续增长，从而成为世界上最有发展潜力的开关电源市场之一。(二)中国开关电源市场情况新的发展形势对于我国电源行业

7、面临着严峻的挑战。我国的电源技术研究，从理论到实验、仿真，与世界水平比较是不低的，在一些方面还常有突破；但是在产品方面，结构和工艺差距就明显了。现在看来，全集成自动化、生产量大而价格便宜，自然将会大面积占领市场。结构工艺落后价格又贵的产品将遭到自然淘汰！对于一个国家也是这样。我国电源企业据统计大小有几千家。若全部由行政命令重新组合或兼并是不可能的。有条件的企业能实现整机系统集成全自动化的生产，产品体积、具有明显优势，若价格便宜又能大量供货，自然就会占领市场。那些中小企业或者被兼并或者自然淘汰。现在我国一些大公司生产的通信用开关电源，性能完全可以和进口产品竞争，因而已有一定数量的出口，如果我们现

8、在不做系统整机的集成工作，不能与国外竞争，我们已经占有的市场还将失去！我国已加入WTO，将加快产业重组，机遇和挑战并存，我们只有振作精神，发挥自己的优势迎接挑战。在国内的研究领域已出现了一些可喜的动向，如对0.8V/50A电源模块的开发研究，合理选择优化的电路拓扑是重要的，工艺结构可能更重要。因为如此低的电压和大电流输出，如果用器件间的导线联接将很难达到技术要求，因此迫使原来作电路拓扑研究的人不得不考虑器件的更合理布局，同时采用集成的工艺结构，以尽量减小内部导线的压降损耗。这也说明作电路拓扑研究的人员，要了解和研究系统集成的知识。某些境外公司在国内设置的电源技术研究开发机构，近年来也投入技术力

9、量与资金，成立了系统集成的有关内容，作为应用基础研究的重点，并加大资助强度，这将对我国电力电子系统集成的研究起到非常好地导向作用。要开展系统集成工艺和结构研究，要做成产品，必须要有资金的支持。我国一些大的电源产品公司是有条件的，要拿出一定的资金开展这一工作，争取在不太长的时间内，使出我国电气性能先进，工艺结构也处于世界先进水平的产品来。三、开关电源的技术恨不能开关电源产品的技术发展动向是高可靠、高稳定、低噪声、搞干扰和实现模块化。小型、薄型、轻运化由于电源轻、小、薄的关键是高频化，因此国外目前都在致力于同步开发新型高智能元器件，特别是改善二次整流管的损耗、变压器电容器小型化，并同时采用SMT技

10、术在电路板两面布置元件以确保开关电源的轻、小、薄。高效率为了使开关电源轻、小、薄，高频化（开关频率达兆赫级）是必然发展趋势。而高频化又必然使传统的PWM开关（属硬开关）功耗加大，效率降低，噪声也提高了，达不到高频、高效的预期效益，因此实现零电压导通、本电流关断的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流。采用软开关技术可使效率达到8588%。据悉，美国WICOR开关电源公司设计制造了多种ECZ较开关DC/DC变换器，其最大输出功率有800W、600W、300W等，相应的功率密度为6.2、10、17w/cm3，效率为8090%。高可靠开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。从寿

11、命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。追求寿命的延长要从设计方面着眼，而不是从使用方面着想。美国一公司通过降低给温、减少器件的电应力、降低运行运行电流等措施使其DC/D开关电源系列产品的可靠性大大提高，产品的MTBF高达100万小时心上。无论是AC/DC或是DC/DC或是变换器都是朝模块化方向发展。其特点是：可以用电源组成分布式电源系统；可以设计成N+1冗余电源系统，从而提高可行性；可以做成插入式，实现热更换，从而在运行中出现故障时能高速更换模块插件；多台模并联可实现大功率电源系统。此外，还可以在电源系统建成后，根据发展需要不断扩充容量。低噪声开关电源的又一缺点是

12、噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之增大，采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以低噪声。但谐振转换技术也有其难点，如很难准确地控制开关频率、谐振时增大了器件负荷、场效应管的寄生电容易引起适中损耗、元件热应力转向开关管等问题难以解决。日本把变压器设计成初次级分离阻燃密封，自身具备对体噪声功能的模无噪声隔离变压器，既节省了噪声滤波器，又减少了噪声。抗电磁干扰（EMI）当开关电源在高频下开关时，其噪声通过电源线产生对其它电子设备的干扰，世界各国已有抗EMI的开关电源日益显行生要。电源系统的管理和控制应用微处理器或微机集中控制与管理，可以及时反映开关电源环境的各种变化，中内处理单元实现智

13、能控制，可自动诊断故障、减少维护工作量，确保正常运行。计算机辅助（CAD）利用计算机对开关电源系统、稳定性分析、电路仿真、印刷电路板、热传导分析、EMI分析以及可靠性等进行CAD设计和模拟试验，十分有效，是最为快速经济的设计方法。产品更新加快目前的开关电源产品要求输入电压通用（适用世界全中国电网电压规模）、输出电压范围扩大（如计算机和工作站需要增加3.3V这一档电压、程控需要增加DC150V这一电压）、输入端功率因数进一步提高（最有效的方法是加一级“有源功率因数校正器APFC”），并具有安全、过压保护等功能。四、21世纪开关电源的发展展望：电力电子技术以其灵活的功率变换方式，高性能、高功率密度

14、、高效率，在21世纪必将得到大力发展，而开关电源是电力电子技术中占有很大比重的一个重要方面。1、半导体和电路器件是开关电源发展的重要支撑功率半导体器件仍然是电力电子技术发展的“龙头”，电力电子技术的进步必须依靠不断推出的新型电力电子器件。功率场效应管（MOSFET）由于单极性多子导电，显著地减小了开关时间，因而很容易地便可达到1MHz的开关工作频率而受到世人瞩目。但是MOSFET，提高器件阻断电压必须加宽器件的漂移区，结果使器件内阻迅速增大，器件的通态压降增高，通态损耗增大。所以只能应用于中小功率产品，为了降低通态电阻，美国IR公司做采用提高单位面积内的原胞个数的方法。如IR公司开发的一种HE

15、XFET场效应管，其沟槽（Trench）原胞密度，已达世界最高的每平方英寸1.12亿个的水平，通态电阻R可达3毫欧。功率MOSFET，500V、TO220封装的HEXFET自1996年以来，其通态电阻以每年50%的速度下降。IR公司还开发了一种低栅极电荷（Qg）的HEXFET，使开关速度更快，同时兼顾通态电阻和栅极电荷两者同时降低，则RQg的下降率为每年30%。对于肖特基二极管的开发，最近利用Trench结构，有望出现压降更小的肖特基二极管，称作TMBS沟槽MOS势垒肖特基，而有可能在极低电源电压应用中与同步整流的MOSFET竞争。作为半导体器件的硅材料“统治”半导体器件已50年有余，硅性能潜

16、力的进一步挖掘是很有难度的。有关半导体器件材料的研究从70年代，特别是8090年代以来，砷化镓（GaAs）、半导体金钢石、碳化硅（SiC）的研究始终在进行着。进入90年代以后，对碳化硅的研究达到了热点。实验表明，应用SiC的半导体器件其导通电阻只有Si器件的1/200；如电压较高的硅功率MOSFET，导通压降达34伏，而SiC功率MOSFET，导通压降1小于伏，而关断时间10ns。实验表明，电压达300伏的SiC肖特基二极管（另一电极用金、钯、钛、钴均可），反向漏电流小于0.1mA/mm,而反向恢复时间几乎为零。一段时间曾认为砷化镓很有希望取代硅半导体材料，现在实验表明，碳化硅材料性能更优越。

17、SiC的研究所以滞后于GaAS,主要原因是SiC晶体的制造难度太大。当温度大于2000时，SiC尚未熔化，但到了2400时，SiC已升华变成气体了。现在是利用升华法直接从气体状态生长晶体。目前的问题是要进一步完善SiC的制造工艺，当应用SiC制造的半导体器件得到广泛应用时，对电力电子技术的影响将会是革命性的。变压器是电力电子产品或开关电源中重要的必不可少的部件，平面变压器是近两年才面世的一种全新产品。与常规变压器不同，平面变压器没有铜导线，代之以单层或多层印刷电路板，因而厚度远低于常规变压器，能够直接制作在印刷电路板上。其突出优点是能量密度高，因而体积大大缩小，相当于常规变压器的20%；效率高

18、，通常9799%；工作频率高，从50KHz到2MHz；低漏感（小于0.2%）；低电磁干扰（EMI）等。压电变压器是应用电能机械能电能的一种新型变压器，它是利用压电陶瓷电致伸缩的正向和反向特性而制成的。两片压电陶瓷紧密牢固地结合在一起，将原边交变电压加于一片压电陶瓷的轴线，这片压电陶瓷将产生垂直方向的机械振动而使另一片牢固结合的压电陶瓷跟着一起作垂直振动，此时将在其轴线方向产生电压次级输出电压。目前这变压器功率还不大，适用于电压较高而电流较小的应用场合，如照明灯具的起辉装置。超容电容器是电容器件近年来的最新进展，美国的麦克韦尔公司一直保持着超容技术的世界领先地位。超容电容器采用了独特的金属/碳电

19、极技术和先进的非水电解质，具有极大的电极表面和极小的相对距离。现在已开发生产出多种具有广泛适用范围的超容电容器单元和组件，单元容量小到10法拉，大到2700法拉。超容电容器可方便地串联组合成高压组件或开联组合成高能量存储组件。超容电容器组件现已可提供650伏的高压高能量应用。超容电容器具有广泛地应用前景。使用超容电容器可以使半导体、造纸、纺织等各种工业高度自动化的制造系统免受电力波动或短暂中断所造成的巨大损失；超容电容器能为医院或公用事业单位等在必须使用应急发电机电源时，提供过渡电源，构成短期不间断电源。对于新型电能车或混合电能车，超容电容器可作为电池的补充甚至替物。2、电路集成和系统集成及封

20、装工艺电力乱哄哄中电路的发展方向是模块化、集成化。具有各种控制功能的专用芯片，近几年发展很迅速，如功率因数校正（PFC）电路用的控制芯片：软开关控制用的ZVS、ZCS芯片；移相全桥用的控制芯片；ZVT、ZCTPWM专用控制芯片；并联均流控制芯片；电流反馈控制芯片等。功率半导体器件则有功率集成电路（PowerIC）和IPM。IPM以IGBT作功率开头，将控制、驱动、保护、检测电路一起封装在一个模块内。由于外部接线、焊点减少，可靠性显著提高。集成化、模块化使电源产品体积小、可靠性高，给应用带来极大方便。电路集成的进一步发展方向是系统集成。如现在的逆变器是将200300个零件装配在一起成为一个系统。

21、这样做法要花很多时间和人工，成本也高，也难于做得体积很小。美国VICOR公司生产的第一代电源模块受生产技术、功率和磁元件体积、封装技术的限制，密度始终未能走过每立方英寸80瓦。近年来推出的第二代电源模块，内部结构也改为模块式，达到高度集成化和全面电脑化。功率密度已经达到了每立方英寸120瓦。电源模块内含元件只有第一代产品的1/3，由115个减为35个。第二代电源模块的控制电路只含两个元件，被称作“大脑”（Brain）。“大脑”是两片厚膜电路，由VICOR公司自已的无尘室自行开发生产，其总体积0.1只有立方英寸，取代了第一代产品中的约100个控制元件，体积缩小了60%。第二代产品中另一个突破是变

22、压器的改良，采用屏蔽式结构和镀铜磁芯，把初级和次级线圈分置左右两边而温升很低。寄生电容和共模噪声也很低。变压器处理功率的密度达到了每立方英寸1000瓦，温升只有3。第二代产品功率器件的管芯直接焊接在基板上以取代第一代TO200封装，可以提高散热效率，降低寄生电感、电容和热阻。第二代产品的集成度显然提高了，但还不是系统集成。李泽元教授领导的美国电力电子系统中心（CenterofPowerElectronicsSystems,简称CPES）已经提出了系统集成的设想，信息传输、控制与功率半导体器件全部集成在一起，组成的元件之间不用导线联接以增加可靠性，采用三维空间热耗散的方法来改善散热，有可能将功率

23、从低功率（几百瓦千瓦）做到高功率（几十千瓦心上）。系统集成的结果，可以改变现在的半自动化、半人工的组装工艺而可能达到完全自动化生产。因而可以降低成本，有利于普遍地推广应用。李泽元教授正在应用这一设想，以CPES结合美国几所大学的特长，在做马达驱动的系统集成工作。系统集成的第一步是把逆变器做成模块，驱动电路、保护电路全部放进去；第二步是把逆变器和马达做在一起，形成一个系统集成。还有一个例子英特的微处理器工作电压是23伏/10安，操作频率是300MHz。预计两年后甚至不需要两年它的工作电压会降到1伏、电流3050安，操作频率为1GHz。现在的做法是把开头电源紧靠在微处理器，正式成立电源以很快的速度

24、提供电流给微处理器，这样尚能满足现有微处理器的要求。但将来微处理器工作电压降低，电流增加，速度回忆的时候，现有的解决方法将无法达到它的彻底解决问题，必须将开头电源与微处理器结合在一起。今天英特公司大部分人接受了这一想法而在积极促成此事。提出的构想是：开头电源紧密结合在微处理器主机板下面。这样开头电源的大小必须与微处理器相当，而现在的开头电源要比微处理器大几十倍。如何减小体积？这又面临新的挑战！可以预计，下面几个问题是开头电源发展的永恒方向：（1）开头电源频率要高，这样动态响应才能快，配合高速微处理器工作是必须的；也是减小体积的重要途径。（2）体积要减小，变压器电感、电容都要减小体积。（3）效率要高，产生的热能会减少，散热会容易，容易达到高功率密度。-