(完整word版)DCDC变换器的发展与应用.

1、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、750W1W 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 6W25WDC/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 251W750W 的

2、 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），同时还能起至用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

3、率在 500kHz左右，功率密度为 0.31W/cm31.22W/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

4、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 50kHz100kHz 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

5、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 2kA3kA、电压达到 4kV6kV，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

6、。 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

7、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

8、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

9、 ，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

10、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岀的要求 ， 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，即使万一岀现单 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 3.1VRM 技术 就 DC

11、/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（2.4V3.3V ）、大电流（13A ）状态下工作，而其直流母线电压通常为 5V12V。 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提岀了 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的输岀端并联很多容量很大、等

12、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 要求输岀纹波的前提下，不但可以大大减少输岀滤波电容器的容量，而且能大大减少 VRM输岀滤波电感 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

13、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。 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，指岀高功率密度 DC/DC

14、ZVS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,女口 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/600W DC/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

15、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

16、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

17、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 %10 %。无论

18、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

19、重要，数字信号处理技术日趋完善 成熟，显示岀越来越多的优点：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、IECIOOO 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