开关电源技术的发展

开关电源是在电子、通信、电气、能源、航空航天、军事以及家电等领域应用非常广泛的一种电力电子装置。它具有电能转换效率高、体积小、重量轻、控制精度高和快速性好等优点，在小功率范围内基本上取代了线性调整电源，并迅速向中大功率范围推进，在很大程度上取代了晶闸管相控整流电源。开关电源技术是目前中小功率直流电能变换装置的主流技术。但是开关电源的设计工作较为繁琐，难度大。

目前国内开关电源的设计裕量过大，设计过程中对产品工作状况和实际性能的预见性较差。开关电源技术在迅速的向前发展，为了能够在理解基本原理的基础上进行再创造，我们应该对开关电源技术有个整体概念的把握及其发展趋势的预测，从而提高自己的设计水平，最终提高产品的质量。

2 开关电源的整体认识

2.1 开关电源的定义

开关电源是作为线性稳压电源的一种替代物

出现的，开关电源这一称谓也是相对于线性稳压电源而产生的。顾名思义，开关电源就是电路中的电力电子器件工作在开关状态的电源。这样一来，如果把四大类基本电力电子电路(AC-DC 电

路、DC-AC 电路、AC-AC 电路、DC-DC 电路)都看成电源电路，则所有的电力电子电路也都可以看成开关电源电路。但是在实际应用中，开关电源所涵盖的范围比这个范围要小的多。同时具备三个条件的电源可称之为开关电源，这三个条件就是：开关(电路中的电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态)、高频(电路中的电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频)和直流(电源输出是直流而不是交流)[1]。

2.2 开关电源的发展史及应用范围

开关电源的前身是线性稳压电源。在开关电源出现之前，许多控制设备的工作电源都采用线性稳压电源。由于计算机等电子装置的集成度不断增加，功能越来越强，他们的体积却越来越小，因此迫切需要体积小、重量轻、效率高、性能好的新型电源，这就成了开关电源技术发展的强大动力。

新型电力电子器件的发展给开关电源的发展提供了物质条件。在 20 世纪 60 年代末，巨型晶体管(GTR)的出现，使得采用高工作频率的开关电源得以问世，那时确定的开关电源的基本结构一直沿用至今。后来随着电力 MOSFET 的应用，开关电源的频率进一步提高，使得电源体积更小，重量更轻，功率密度进一步提高。在 20 世纪 80 年代，IGBT 的出现让仅适用于小功率场合的开关电源在中大功率直流电源也得以发挥。在 20 世纪 80 年代后 20 年为了解决因开关频率提高而引发的电磁干扰问题，出现了软开关技术开关电路。随后在 20 世纪 90 年代，为了提高开关电源的功率因数，出现了功率因数校正技术(PFC)。

目前除了对直流输出电压的纹波要求极高的场合外，开关电源已经全面取代了线性稳压电源，主要用于小功率场合。例如：计算机、电视机、各种电子仪器的电源。在许多中等容量范围内，开关电源逐步取代了相控电源，例如：通信电源领域、电焊机、电镀装置等的电源。

3 开关电源中的电子电路

开关电源中的电子电路，也就是常说的主电路，是开关电源的核心电路。对各种开关电源主电路的工作原理与适用条件的分析是进行开关电源电路选型的基础，也是主电路和控制电路参数设计的基础。

根据电路是否具有电能回馈能力、输出端与输入端是否电气隔离以及电路的结构形式三个原则，可以将开关电源中的电力电子电路按图 1 分类。

各种不同的电路有各自不同的特点和应用场合。总的来说，非回馈型电路比回馈型电路结构简单、成本低，而绝大多数应用不需要开关电源具备回馈能力，因此，非回馈型电路应用远比回馈型电路广泛。非隔离型电路比隔离型电路结构简单、成本低，但多数应用需要开关电源的输出端与输入端隔离，或需要多组相互隔离的输出，

所以，隔离型电路的应用较广泛。而非隔离型电路也有不少应用，如开关型稳压器、直流斩波器

降压型

升压型

非 隔 离升降压型

Cuk 型

Sepic 型

非回馈型Zeta 型

正激型

反激型

开隔离型半桥型

关

全桥型

电

源 推挽型

二象限型

非隔离型

回馈型 四象限型

隔离型

图 1

等。回馈型电路应用较少，下面重点比较非回馈型各电路的特点与应用。

3.1 非隔离型电路的应用范围及特点[1]

降压(Buck)型电路只能降压不能升压，输出与输入同极性，输入电流脉动大，输出电流脉动小，结构简单。常用于降压型直流开关稳压器、不可逆直流电动机调速等场合。

升压(Boost)型电路只能升压不能降压，输出与输入同极性，输入电流脉动小，输出电流脉动大，不能空载，结构简单。常用于将较低的直流电压变换成为较高的直流电压，如电池供电设备中的升压电路、液晶背光电源等。该电路另一个重要用途就是作为单相功率因数校正电路。

升降压(Buck-Boost)型电路不仅可以灵活地改变电压的高低，而且能改变电压极性，常用于电池供电设备中产生负电源的电路以及各种开关稳压器中。

Cuk 型电路的特点与升降压电路相似，但电路较复杂。优点是输入与输出回路中都有电感使输出电压纹波较小，从输入电源吸取的电流纹波也较小，可以在特殊场合使用。

船电技术 2005 年第 5 期15

Sepic 型电路虽比较复杂，但由于输出电压可 Zeta 型电路很复杂，限制了使用范围。

以高于输入电压也可以低于输入电压，所以可用3.2 隔离型各电路的应用领域及优缺点

于要求输出电压较低的单相功率因数校正电路。 隔离型各电路的应用领域及优缺点如表 1 [1]

表 1 隔离型各电路的应用领域及优缺点

电路优点缺点 功率范围应用领域

正激型电路较简单，成本低，可靠变压器单向励磁，利用率几百瓦～几各种中小功率开关电源性高，驱动电路简单低 千瓦，反激型电路非常简单，成本很低， 难达到较大功率，变压器几百瓦～几小功率和消费电子设备、计算机可靠性高，驱动电路简单单向励磁，利用率低 十瓦设备电源全桥型变压器双向励磁，容易达到结构复杂，成本高，可靠几百瓦～几大功率工业用开关电源、焊接电大功率性低，驱动电路复杂 百千瓦源、电解电源半桥型变压器双向励磁，开关较有直通问题，可靠性低，几百瓦～几工业用开关电源、计算机设备用少，成本低，无偏磁问题需要复杂隔离驱动电路千瓦开关电源，变压器双向励磁，变压器一 几百瓦～几，推挽型次电流回路只有一个开关， 低输入电压的开关电源

有偏磁问题 千瓦通态损耗较小，驱动简单

4 开关电源控制技术的研究 母线的开路、短路以及模块的损坏都不会影响系

统其它模块的正常工作，是目前最优秀的均流方法法

4.1 开关电源控制技术的介绍。

器件发展到一定程度后，要进一步提高产品电流模式控制技术[1]则在以往电压反馈控制的性能，必须采用新的控制方法和新的技术。目的基础上，增加电流反馈控制;在对电压控制的前，开关电源的控制方法和技术主要有软开关技基础上，对电流也进行动态的控制，使得能够逐术和功率因数校正技术，民主均流控制技术，电个脉冲对电流进行控制。一方面能加快系统的动流模式控制技术，本脉冲(one-cycle)控制技态反应能力;另一方面，使得变压器的偏磁情况、术等等。 负载的均流、电源模块的过载或短路保护等得到软开关技术[2]是指功率器件在零电压或零电明显的改善。

流条件下进行换流。因此，软开关技术可以降低而本脉冲控制技术[3]是一种大信号的非线性功率器的开关损耗，提高系统的开关频率，降低控制方法，在每一个周期内取开关变量，经过积变换器的体积和重量，使得系统的输出纹波减少，分器的积分与给定电压比较，其误差经过放大后，并且可以克服变换电路对寄生分布参数的敏感动态地调节变换器占空比的大小。由于每个周期性，降低系统的开关噪音，展宽系统的频带，改内的占空比值只与该周期的开关变量有关，且开善系统的动态性能。 关变量(电压或电流)的平均值在一个周期内到功率因数校正技术通过有源校正的方法，使达新的稳态，使得开关变量(被控制量)的平均得网侧电流波形跟踪电压波形，这样，把挂在电值和控制量无论是稳态和动态都没有误差，具有网的开关电源变成一个接近纯电阻的负载，不但良好的抗干扰能力和快速的动态响应能力。

该技可以抑制网侧谐波电源，改善网侧功率因数，降术既可用于 PWM 控制，也可用于 PFM 控制;既低电源的高次谐波产生的噪音和污染，提高电网可用于硬开关控制，也可用于软开关控制;既可的质量，减少无功功率的流动和达到节能的效果，用于电压模式控制，也可用于电流模式控制;既而且使电源的电磁兼容性能力得到了加强[1] 。可用于电流连续的工作模式控制，也可用于电流民主均流控制技术[3]，既能实现电源模块的不连续的工作模式控制，是开关变换器控制方式自动均流，又可以实现电源模块的冗余。电源模发展的一个重要方向。块的退出与增加均不影响系统的正常工作，均流

4.2 开关电源控制技术的现状分析与发展趋势

在软开关变换电路中，有变频控制的 PFM，和恒频控制的 PWM。由于恒频控制方式要优于变频控制方式，恒频软开关技术已成为软开关技术的主流。其中，在传统的桥式相控电路中，若综合 PWM 技术和软开关技术的优点，则可在大范围内实现 PWM 控制和输出电压或电流的大范围无级调节，并且在功率器件换流瞬间，实现零电压开关换流。这是一种低成本、高效率的实用电路。但目前研制的相移控制软开关电路存在一些不足之处，主要是变换电路滞后桥臂零电压开关范围窄。因此，拓宽其软开关范围是该电路得到进一步广泛应用的前提。各国学者一直在努力，提出一系列改进方法，主要集中在三个方面：一是拓宽滞后桥臂的零电压开通范围;二是将滞后桥臂构造成零电流关断范围大的软开关;三是原边的开关管和副边的整流二极管同时实现大范围的软开关。目前，在这几方面都取得了很大的进展，为软开关技术在开关电源中的广泛应用打下良好的基础[1]。

在功率因数校正电路方面，其电路通常采用升压拓扑结构。而较受关注的是 PFC 的控制技术。目前最为常用的控制技术有三种：平均电流型控制、CCM/DCM 边界控制、电流钳位控制。其中平均电流型控制最为普及，该电路中通过检测 Boost 电感电流并与正弦电流基准信号进行比较，所得的误差信号经放大后再与谐波信号进行比较，产生 PWM 占空比信号去控制主开关，以实现单位功率因数和稳定输出电压。该控制技术的电压环带宽控制在 20Hz 以下，电流环则要求足够快以满足不失真和低谐波的要求。它有专用控制器芯片，如 UC3854，目前通常用于 1kW 以上的功率级。这种技术的优点是定频控制，功率因数较高;缺点是要检测电感电流，控制器外围设计较为复杂。CCM/DCM 边界控制是一种滞后控制技术，控制的上限是一个正弦基准电流，下限为零。电流钳位控制实际上就是电流型控制Boost 电路。

在控制模式方面，有电压模式控制和电流模式控制。电压模式是单环控制，电流模式控制是双环控制。电流模式控制技术可以较好地解决大功率电源的并联问题，电源的动态响应性能更好，变压器的偏磁情况、电源模块的过载或短路保护等得到明显的改善。所以在电源产品的设计中电流模式得到广泛的应用。

在新技术方面，近来开关变换器发展起来的本脉冲控制是最值得注意的方向之一。不过，目前尚未见到基于本脉冲控制技术的开关电源产品。

与此同时，世界上许多着名的电子公司为了适应功率电子学发展的浪潮，不断推出适应各种新型控制技术的芯片。美国的 UNITRODE 公司是其中一个杰出代表，其所开发的芯片既有电压模式控制的，又有电流模式控制的，覆盖了功率电子学所有的应用领域。其中，与开关电源密切相关的芯片主要有相移控制系列芯片、单相硬开关功率因数校正系列芯片、单相软开关功率因数校正系列芯片、开关电源负载均流系列芯片等等。成功地研制这些性能良好的芯片，为软开关技术和功率因数校正技术以及其它新技术在开关电源的应用奠定了一定的物质基础。

5 结论

PWM 高频调制技术、软开关技术、处理网侧谐波电流和提高网侧功率因数的 PFC 技术的研究正将电力电子技术的应用引入高效、高性能、高功率因数和低污染的新阶段。从而使开关电源产品在系统的可靠性和稳定性、电磁兼容性、消除网侧电源谐波、提高电源利用率、降低损耗、提高系统的动态性能等方面取得长足进步的同时，正向高频化、高功率密度、高功率因数、高可靠性和高智能化方向发展。