簡述DC-DC開關電源小型化發(fā)展中的不足及其應對措施

一、前言

人們希望直流電源象一個容量很大的原電池一樣的干凈，紋波和噪聲極低，內(nèi)阻極小。希望有很快的響應速度。是數(shù)十年來人們不斷努力追求的第一個基本目標。

同時，提高電源的功率密度和效率，使之小型、輕量、高效;提高電源的功率輸出特別是低壓大電流輸出，這也是數(shù)十年來人們不斷努力追求的第二個基本目標。

在線性穩(wěn)壓電源和SCR相控電源的發(fā)展階段，為了追求第一個基本目標我們?nèi)〉昧撕艽蟮某晒?。至今，制造紋波系數(shù)0.01%、電壓調(diào)整率0.05%的直流電源并非難事。如果設計足夠的開環(huán)增益與合理的開環(huán)頻率特性，也可以達到很高的閉環(huán)響應速度。但是，它的體積很大，效率低，因而輸出電流也不大。

為了實現(xiàn)第二個基本目標而出現(xiàn)的高頻DC-DC開關電源技術(shù)，在電力電子技術(shù)的應用及各種電源系統(tǒng)中，均處于核心地位。它在功率密度和效率的提高，使之小型、輕量、高效和電流輸出方面取得了極大的成功，但是，由于它逆變中的換向問題和各組成部分發(fā)展的不平衡，也留下了明顯的不足與遺憾：超小型的模塊或者功率芯片不可能達到很大的電流輸出和高的紋波噪聲抑制能力。換句話說，要求低壓大電流輸出和有很高的紋波噪聲抑制能力的開關電源，就不可能有很高的功率密度。

本文將簡要分析高頻DC-DC開關電源在小型化過程中(第二個基本目標)的成功與不足，并提出改進與應對的措施。使得高功率密度、大輸出電流、高的紋波噪聲抑制能力的開關電源問世。

二、高頻DC-DC開關電源在實現(xiàn)小型化、提高功率密度方面取得了巨大成就

在半個多世紀以前，其實人們就都知道了開關電源的原理：采取逆變的方法實現(xiàn)直流-交流-直流的轉(zhuǎn)換。這樣一來，就可以通過變壓器、調(diào)頻-調(diào)寬等方式來調(diào)節(jié)輸出直流電壓;可以通過提高工作頻率來縮小變壓器、電路中的儲能元件電感濾波器、電容器的體積重量。這樣的電源比線性穩(wěn)壓電源和SCR相控電源的效率和功率密度要高得多。

隨著電子技術(shù)、半導體器件快速的發(fā)展，數(shù)十年來電源的高頻化和軟開關技術(shù)成為了國際電力電子界研究的主要熱點之一。在很多方面開關電源逐步取代了線性穩(wěn)壓電源和SCR相控電源。開關電源高頻化的理想開始實現(xiàn)，采用PWM控制技術(shù)的DC/DC變換器模塊操作頻率已經(jīng)達到了從20kHz到400kHz 范圍。同時，為了解決逆變中的換向帶來的變換器開關功耗大、效率降低及噪聲增加等問題，1997年，在已進行了將近三十年的世界范圍的軟開關基礎理論研究之后，“第二代產(chǎn)品”以零電流開關(ZCS)、零電壓開關(ZVS)軟開關控制技術(shù)為基礎，結(jié)合了控制集成、封裝、鐵氧體、噪聲和散熱技術(shù)等方面的最新科技成果，使功率密度達到了120-180W/in3，效率達到90%，操作頻率接近1MHz。在過去的幾年里還實現(xiàn)了完全的ZVS同步整流和開展集成電源模塊的研究開發(fā)。使得高功率密度高頻DC-DC開關電源產(chǎn)品達到了與“理想功率器件”極為接近的境地。出現(xiàn)了很多的電路拓撲。目前，甚至出現(xiàn)了工作頻率是3MHz的1000W/in?的功率芯片，有了飛速的發(fā)展。

三、但是高功率密度高頻DC-DC低壓大電流輸出能力及紋波噪聲抑制能力受到限制

但是，我們也應當看到，在不斷的提高工作頻率、功率密度和效率的過程中，高功率密度高頻DC-DC開關電源模塊或者功率芯片，它將受到兩個限制：它的低壓大電流輸出能力受到限制。在低壓大電流輸出時，它的紋波噪聲抑制能力也受到限制。然而，正如前面已經(jīng)指出的，在任何一種不追求高功率密度的低頻開關電源，在這些方面卻都沒有不可克服的限制。

目前無論是高功率密度DC/DC模塊，或者是分比式功率架構(gòu)中的功率芯片，功率多數(shù)在數(shù)百瓦以內(nèi)，最大輸出電流在100A以下。而不追求高功率密度的開關電源，比如說工作頻率在100-200KHz以下，功率密度為6-10W/in?左右的框架式整機開關電源產(chǎn)品。其輸出功率可以達到數(shù)千瓦以上，輸出電流可以很容易的達到數(shù)百安培，甚至更大。如果想制造輸出電流幾百安上千安、紋波系數(shù)0.05%—0.01%的這類直流電源，在實踐上或者理論上都不會發(fā)生困難。這說明了什么呢?這說明了我們在不斷的提高功率密度的過程中，自始至終存在著一個輸出低壓大電流能力的限制性因素。至于說通過模塊的串并聯(lián)來增加功率和電流，那是另一個問題。實際上也不可能完全通過串并聯(lián)來解決，在n+1亢余系統(tǒng)中， 通過模塊串并聯(lián)組成的更大電流更大功率的電源，但是它的整機功率密度是遠低于每一個模塊的。單個電源模塊的功率越大，整機功率密度就下降越多。

同樣，如上面所述，線性穩(wěn)壓電源和SCR相控電源，或者不追求高功率密度的、輸出數(shù)百安培的框架式整機開關電源，它的紋波噪聲也能夠很容易的達到0.2%-0.05%以下。但是，無論是高功率密度高頻DC/DC模塊，或者是分比式功率架構(gòu)中的功率芯片，在它的最大輸出電流80-100A時，它的紋波噪聲甚至會達到5-10%以上。這說明了什么呢?這說明了我們在不斷的提高輸出大電流能力的過程中，高功率密度高頻DC/DC模塊和芯片自始至終存在著一個紋波和噪聲水平的限制性因素。作為一個產(chǎn)品，外接電容實際上并不那么容易解決問題，輸出電流愈大愈是如此。

所以，盡管高功率密度高頻DC/DC或者是分比式功率架構(gòu)中的功率芯片的功率密度和效率是如此的高，但是，它是以犧牲某些性能為代價的。因此，它目前還無法完全取代那些體積較大、效率較低的線性穩(wěn)壓電源或者較低工作頻率的開關電源。

四、簡析產(chǎn)生這兩種限制的原因

在這篇文章中，我將首先針對高功率密度高頻DC/DC電源在發(fā)展的過程中所出現(xiàn)的上述不足或缺陷，簡單的分析它產(chǎn)生的原因，對其中的某些問題提出建設性的意見，如果有必要，將在后續(xù)的文章中，詳細的論述它。

它的低壓大電流輸出能力受到限制的主要原因是：

首先，采取逆變的方法實現(xiàn)直流-交流-直流轉(zhuǎn)換的開關電源，逆變換向問題是它的原理性的缺陷，這和直流電動機的換向在理論上是一樣的。如果有一天，我們發(fā)明了一種新的DC/DC的變換方式，它沒有逆變換向問題，那么，這類原理性的缺陷就沒有了。在現(xiàn)今，盡管我們可以在一定程度上克服它，但是要想徹底解決原理性的缺陷所帶來的限制性的因素是不可能的。這個缺陷必然限制DC/DC變換器輸出電流能力和功率密度的進一步提高，以現(xiàn)在的情況而論，高功率密度高頻DC/DC模塊產(chǎn)品，或者是分比式功率架構(gòu)中的功率芯片，在如此高的功率密度下，它們可能沒有了多少有價值的發(fā)展可能性。當然，我們還可以進一步的研究這個可能性還有多少，。在以后的文章中，我還準備更詳細的論述對這個問題的估計。

其次，鑒于上述的原因，如果還要進一步提高大電流輸出的能力，將使電磁環(huán)境更加惡化，紋波和噪聲增大，而在如此狹小的空間內(nèi)，已經(jīng)沒有空間來安裝合適的濾波器，為了維持最基本的直流輸出質(zhì)量，制造商要么降低功率密度，要么降低電流輸出。這個問題以后還要論述。

第三，在我們所處的“微電子技術(shù)”時代，常溫超導材料的問題可能在相當長的時間內(nèi)無法解決。

在低壓大電流輸出時，它的紋波和噪聲抑制能力受到限制的主要原因是：

在DC/DC的變換方式中，逆變換向是需要時間的，輸出電流越大需要時間越多。這是高功率密度高頻DC/DC模塊，或者是分比式功率架構(gòu)中的功率芯片，在低壓大電流輸出時，紋波較大的根源。換句話說，如果換向不需要時間的話，那么DC/DC變換器的輸出電壓波形在理論上將是一條平滑的直線，沒有紋波和噪聲。我們知道，在任何一種DC/DC變換器中，都實際存在著基頻為兩倍工作頻率的，由換向所造成的紋波和噪聲。尤其是對于大電流的換向，無論是零電壓，零電流開關，或者說是任何一種其它的電路拓撲結(jié)構(gòu)，都不能消除這類原理性的倍頻紋波和噪聲。輸出電流越大紋波噪聲也越大，唯有寄希望于濾波。

但是，在低壓大電流輸出時，負載電阻極低，接近于短路，唯有采用電感性濾波器才能有效地清除紋波，采用并聯(lián)電容濾波效果是不明顯的。電感性濾波器是一個儲能元件，它的體積與通過它的電流(輸出電流)的平方成正比例，因此，制造紋波系數(shù)極低的大電流輸出開關電源時，它所需要的大電感量的濾波器將有很大的體積，此時它將比功率變壓器大得多。它無法安裝在功率密度極高的高頻DC/DC模塊，或者是功率芯片中，這是在低壓大電流輸出時，它的紋波和噪聲的抑制能力受到限制的最主要的原因。換句話說，欲制造輸出電流極大、紋波系數(shù)極低的開關電源，就不可能有極高的功率密度，相反，欲制造功率密度極大的高頻DC/DC模塊或功率芯片，就不可能有極低的紋波系數(shù)。在分比式功率架構(gòu)的功率芯片與高功率密度高頻DC/DC模塊中，由于體積限制的原因，無法安裝足夠的電感濾波器，或者沒有考慮到電感性濾波，所以它無法達到很低的紋波系數(shù)。

綜合上面的論述，我認為，在DC-DC開關電源小型化的發(fā)展道路上，逆變換向問題是一個原理性的缺陷，它是高功率密度高頻DC/DC開關電源，或者是分比式功率架構(gòu)中的功率芯片的輸出大電流能力受到限制，不太可能再有階躍性的大發(fā)展的主要原因。而電感性濾波器小型化發(fā)展的緩慢，是它的紋波噪聲抑制能力受到限制的主要原因。換句話說，電源各個組成部分元器件的發(fā)展是不平衡的。如功率開關、功率二極管、變壓器、控制集成電路等發(fā)展很快，但是，儲能元器件如電容器、電感器等的發(fā)展就較慢。所以，也可以這樣說，這種發(fā)展的不平衡，才是DC-DC開關電源小型化發(fā)展中，功率密度與紋波噪聲抑制能力發(fā)展不平衡的最終原因。單純的采用提高頻率的方法是不可能解決全部問題的。

如果我們對高功率密度高頻DC-DC開關電源的這些問題能夠提出滿意的解決方案：它不僅功率密度和效率極高，大電流輸出能力也強。而且在任何負載下，輸出電壓的質(zhì)量也極高，紋波噪聲極低。那么，人們希望直流電源達到的兩個基本目標才有可能得以全面的實現(xiàn)。只有這樣，才能使高頻電源模塊或者功率芯片，完全取代那些體積較大、效率較低的DC-DC開關電源。