DC/DC变换器的发展与应用

1引言

直流-直流变换器（DC/DC）变换器广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业。按额定功率的大小来划分，DC/DC可分为750W以上、750W～1W和1W以下3大类。进入20世纪90年代，DC/DC变换器在低功率范围内的增长率大幅度提高，其中6W～25WDC/DC变换器的增长率最高，这是因为它们大量用于直流测量和测试设备、计算机显示系统、计算机和军事通讯系统。由于微处理器的高速化，DC/DC变换器由低功率向中功率方向发展是必然的趋势，所以251W～750W的DC/DC变换器的增长率也是较快的，这主要是它用于服务性的医疗和实验设备、工业控制设备、远程通讯设备、多路通信及发送设备，DC/DC变换器在远程和数字通讯领域有着广阔的应用前景。  

DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制具有加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约20％～30％的电能。直流斩波器不仅能起到调压的作用(开关电源),同时还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。

DC/DC变换器现已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为0.31W/cm3～1.22W/cm3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构。目前，已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。  电子产业的迅速发展极大地推动了开关电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代电子设备供电系统的主流。在电子设备领域中,通常将整流器称为一次电源,而将DC/DC变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前，在电子设备中用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT实现高频工作,开关频率一般控制在50kHz～100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。

因为电子设备中所用的集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在电子供电系统中，采用高功率密度的高频DC/DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,可以大大减小损耗、方便维护,且安装和增容非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因为电子设备容量的不断增加,其电源容量也将不断增加。  

2 电力电子器件  

功率变换技术高速发展的基础是电力电子器件和控制技术的高速发展，在21世纪，电力电子器件将进入第4代即智能化时代，具有如下显著的特征。  

2.1 高性能化  高性能化主要包括高电压、大容量、降低导通电压低损耗、高速度和高可靠性等4个方面。如IGBT的电流可达2kA～3kA、电压达到4kV～6kV，降低损耗是所有复合器件的发展目标。预计在21世纪IGBT、智能化功率模块（IPM）等器件的导通电压可降到1V以下，而MOSFET、IBGT、MCT等器件的应用频率将达到兆赫数量级。  

2.2 智能化和集成化  

智能化的发展是系统智能集成（ASIPM），即将电源电路、各种保护以及PWM控制电路等都集成在一个芯片上，制成一个完整的功率变换器IC。集成电力电子模块（IPEM）是将驱动、自动保护、自诊断功能的IC与电力电子器件集成在一个模块中。由于不同的元器件、电路、集成电路的封装或相互连接产生的寄生参数已成为决定电力电子系统性能的关键，所以采用IPEM方法可减少设计工作量，便于生产自动化，提高系统质量、可靠性和可维护性，缩短设计周期，降低产品成本。

IPEM与IPM或PIC的不同之处在于后者是单层单片集成，一维封装；而前者是高电压、大电流、多层多片集成，三维封装，结构更复杂，多方向散热，其热设计也更加重要。IPEM研究课题中有待解决的基本问题是结构的确定和通用性，新型电力电子器件评估的主要方面是开关单元、拓扑结构、高电压大电流功率器件的单片集成。大功率无源器件集成、IPEM三维封装（控制寄生参数，将寄生影响控制在最小范围）、热管理、IPEM设计软件、接口与系统的兼容性、IPEM性能预测、可靠性冗余和容错等都需要跨学科研究。因为与现代电力电子学相关的学科十分广泛，包括基础理论学科，如固体物理、电磁学、电路理论；专业理论学科如电力系统、电子学、系统与控制、电机学及电气传动、通信理论、信号处理、微电子技术；及电磁测量、计算机仿真、CAD等，覆盖了材料、器件、电路与控制、磁学、热设计、封装、CAD集成、制造、电力电工应用等专业技术。就目前我国电力电子技术发展的现状而言，迫切需要跨学科并运用多种专业技术进行联合研究，以适应当今国际电力电子科技前沿技术的发展。  

2.3 模块化  

模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指单元的模块化。常见的功率器件模块含有1单元、2单元、6单元直至7单元,包括开关器件和与之串并联的续流二极管,实质上都属于"标准"功率模块(SPM)。近年来,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中构成IPM,不但缩小了整机的体积,而且更加方便了整机的设计与制造。实际上,由于频率不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,产品性能优良。它类似于微电子电路中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,可缩小整机体积,更重要的是取消了传统连线,把寄生参数值降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高了系统的可靠性。另外,大功率的开关电源,由于器件容量的限制和冗余度的增加，从提高可靠性方面考虑,一般采用多个独立的模块单元并联工作,采用均流技术,所有模块共同分担负载电流,一旦其中某个模块失效,其它模块再平均分担负载电流。这样,不但提高了功率容量,在有限的器件容量情况下可满足大电流输出的要求,而且通过增加相对于整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大地提高了系统的可靠性,即使万一出现单个模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且可提供充分的时间进行修复。  

3 新的DC/DC变换器技术

3.1 VRM技术

就DC/DC变换器而言，由于现代微处理器和一些超高速大规模集成电路芯片，如Intel、Pentium、Pro等，要求在低电压（2.4V～3.3V）、大电流（>13A）状态下工作，而其直流母线电压通常为5V～12V。这样，就需要将直流母线电压通过DC/DC变换器进行变换，通常用VRM来实现。显然，随着芯片集成密度、工作速度的进一步提高，芯片的工作电压将进一步下降，工作电流进一步增大。人们对VRM提出了新的挑战，要求VRM具有非常快速的负载电流响应，在保证足够小的体积的同时，还要具有高效率。要使VRM具有快速的负载电流动态响应，传统的解决办法是在VRM的输出端并联很多容量很大、等效串联电阻很小的退耦电容器。显然，该方法存在如下问题：  

1）退耦电容器体积很大，而现代微处理器对VRM的体积有着严格的要求。  

2）退耦电容器仅能改善动态响应的影响阶段，对后阶段及总的动态响应时间没有作用。  

一种交错叠加型准方波抵消纹波的变换拓扑结构是其最新的解决方案，如图1所示，该结构在保证要求输出纹波的前提下，不但可以大大减少输出滤波电容器的容量，而且能大大减少VRM输出滤波电感的电感量。除此以外，为了提高VRM的动态响应，还必须力求减小供电母线的引线电感，其最有效的解决方案是将VRM作成“装在印刷板上”的直流分布式电源形式，直接装在负载附近。另一方面，还要求VRM本身具有十分小的引线电感，为了保证VRM具有足够的效率，必须采用同步整流器和漏感很小的超薄型变压器。   

图1

3.2 软开关技术

为了缩小DC/DC变换器的体积，提高功率密度，改善动态响应，高频化是DC/DC变换器技术发展的必然趋势。但高频化又会产生新的问题，如开关损耗及无源元件的损耗增大，高频寄生参数及高频EMI问题等。应用各种软开关技术（包括无源无损软开关技术，有源软开关技术）可以减少开关损耗，提高效率。

1994年2月，IEEE电力电子学会组织“功率变换技术2000年展望专题研讨会”，就DC/DC及AC/DC功率变换器的发展趋势与需求进行探讨，指出高功率密度DC/DCZVS开关变换器与器件性能、无源元件、封装技术等有很大关系。与1994年对比，2000年，在保证可靠性增加一倍的基础上，这种变换器功率密度提高一倍，成本降低一半。

进入20世纪90年代，各种软开关技术，如ZVS/ZCS—PWM、ZVT/ZCT—PWM、移相全桥ZVS—PWM、有源箝位ZVS—PWM等的开发和应用都有较大的发展。美国Vicor公司生产的48V/600WDC/DC开关变换器模块，由于采用高频软开关技术，功率密度达到7.32W/cm3,效率为90％，而3MHz、低电压（1V）输出的便携式DC/DC变换器也正在研究开发中。

3.3 高频磁技术

随着电力电子电路与系统的高频化，在低频下可以忽略的某些寄生参数，在高频下将对某些电路性能（开关尖峰能量、噪声水平等）产生重大影响，尤其是磁元件的涡流、漏电感、绕组交流电阻（Rac）和分布电容等在低频和高频下的表现有很大不同。

20世纪90年代高频磁技术研究的另一项成果是适用于薄型高频开关变换器的薄型平面变压器，其厚度小于1cm，呈扁平状。绕组采用铜箔或板型印刷电路，省去绕组骨架，有利于散热，漏感小，集肤效应损耗小。2000年，磁性材料研究的主要方向是：

（1）高温超导；

（2）将铁氧体或其它薄膜材料高密度集成在硅片上或硅材料集成在铁氧体上；

（3）录音磁头用薄膜材料高密度集成在硅片上或硅材料集成在铁氧体上。

将变压器和电感器集成在一起可缩小磁元件的体积，应用混合功率封装技术和集成磁技术可使航空用0.5MHz、薄型100W半桥式DC/DC变换器的厚度仅为5.08mm，功率密度达9.15W/cm3。压电变压器的应用也使功率变换器电路小型化，如输出24W的2MHz的DC/DC变换器，应用压电变压器的变比为5：1，在DC/DC开关电源领域有着广阔的应用前景，压电变压器的应用将开创DC/DC变换器小型化的发展之路。

4 高频开关电源的发展趋势

在电力电子技术及各种电源系统中，开关电源技术处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高频开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大地提高电源的利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通信电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。

4.1 高频化

理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感器和电容器的体积和重量与供电频率的平方根成反比。所以，当我们把频率从工频50Hz提高400倍到20kHz时,则电气设备的体积和重量大体下降至工频设计的5％～l0％。无论是逆变式整流焊机,还是通信电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统"整流行业"的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造,成为“开关变换类电源”,可节约主要材料90％或更多,还可节电30％或更多。由于功率器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,可节能、节水、节约材料，由此带来相当可观的经济效益,更可体现技术含量的价值。

4.2 数字化

在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在20世纪70年代,电力电子技术完全建立在模拟电路基础上。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制，避免模拟信号的畸变失真，减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)，便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在20世纪90年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是诸如印制版的布图、电磁兼容问题以及功率因数校正等问题的解决,离不开模拟技术,但是对于智能化的开关电源,当用计算机控制时,就需要数字化技术。

4.3 绿色化

电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电,这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次是这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种校正功率因数的方法，为2l世纪批量生产各种绿色开关电源奠定了基础。

现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的拓扑电路的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下,由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大地发挥各种功率器件的特性,使器件性能对开关电源性能的不利影响减至最小,新的电源拓扑电路和新型控制技术,可使功率开关在零电压或零电流状态下工作,从而可大大提高工作频率,提高开关电源的工作效率,设计出性能优良的开关电源。

总之,电力电子及开关电源技术随应用需求而不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着IC技术的发展,以开关电源技术为核心的电子设备用开关电源,仅国内就有20多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源已是大势所趋,因此,同样具有几十亿市场需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来，另外，还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。