通信用高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展

1 通信用高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展

通信用高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展基本上可以體現(xiàn)在幾個(gè)方面：變換器拓?fù)?、建模與仿真、數(shù)字化控制及磁集成。

1.1 變換器拓?fù)?/p>

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、功率因數(shù)校正技術(shù)及多電平技術(shù)是近年來(lái)變換器拓?fù)浞矫娴臒狳c(diǎn)。采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以有效的降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)應(yīng)力，有助于變換器效率的提高;采用PFC技術(shù)可以提高AC/DC變換器的輸入功率因數(shù)，減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染;而多電平技術(shù)主要應(yīng)用在通信電源三相輸入變換器中，可以有效降低開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力。同時(shí)由于輸入電壓高，采用適當(dāng)?shù)能涢_(kāi)關(guān)技術(shù)以降低開(kāi)關(guān)損耗，是多電平技術(shù)將來(lái)的重要研究方向。

為了降低變換器的體積，需要提高開(kāi)關(guān)頻率而實(shí)現(xiàn)高的功率密度，必須使用較小尺寸的磁性材料及被動(dòng)元件，但是提高頻率將使MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗與驅(qū)動(dòng)損耗大幅度增加，而軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用可以降低開(kāi)關(guān)損耗。目前的通信電源工程應(yīng)用最為廣泛的是有源鉗位ZVS技術(shù)、上世紀(jì)90年代初誕生的ZVS移相全橋技術(shù)及90年代后期提出的同步整流技術(shù)。

1.1.1 ZVS有源鉗位

有源箝位技術(shù)歷經(jīng)三代，且都申報(bào)了專利。第一代為美國(guó)VICOR公司的有源箝位ZVS技術(shù)，將DC/DC的工作頻率提高到1MHZ，功率密度接近200W/in3，然而其轉(zhuǎn)換效率未超過(guò)90%。為了降低第一代有源箝位技術(shù)的成本，IPD公司申報(bào)了第二代有源箝位技術(shù)專利，其采用P溝道MOSFET，并在變壓器二次側(cè)用于forward電路拓?fù)涞挠性大槲唬@使產(chǎn)品成本減低很多。但這種方法形成的MOSFET的零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)邊界條件較窄，而且PMOS工作頻率也不理想。為了讓磁能在磁芯復(fù)位時(shí)不白白消耗掉，一位美籍華人工程師于2001年申請(qǐng)了第三代有源箝位技術(shù)專利，其特點(diǎn)是在第二代有源箝位的基礎(chǔ)上將磁芯復(fù)位時(shí)釋放出的能量轉(zhuǎn)送至負(fù)載，所以實(shí)現(xiàn)了更高的轉(zhuǎn)換效率。它共有三個(gè)電路方案：其中一個(gè)方案可以采用N溝MOSFET，因而工作頻率可以更高，采用該技術(shù)可以將ZVS軟開(kāi)關(guān)、同步整流技術(shù)都結(jié)合在一起，因而其實(shí)現(xiàn)了高達(dá)92%的效率及250W/in3以上的功率密度。

1.1.2 ZVS移相全橋

從20世紀(jì)90年代中期，ZVS移相全橋軟開(kāi)關(guān)技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于中、大功率電源領(lǐng)域。該項(xiàng)技術(shù)在MOSFET的開(kāi)關(guān)速度不太理想時(shí)，對(duì)變換器效率的提升起了很大作用，但其缺點(diǎn)也不少。第一個(gè)缺點(diǎn)是增加一個(gè)諧振電感，其導(dǎo)致一定的體積與損耗，并且諧振電感的電氣參數(shù)需要保持一致性，這在制造過(guò)程中是比較難控制的;第二個(gè)缺點(diǎn)是丟失了有效的占空比。此外，由于同步整流更便于提高變換器的效率，而移相全橋?qū)Χ蝹?cè)同步整流的控制效果并不理想。最初的PWMZVS移相全橋控制器，UC3875/9及UCC3895僅控制初級(jí)，需另加邏輯電路以提供準(zhǔn)確的次極同步整流控制信號(hào);如今最新的移相全橋PWM控制器如LTC1922/1、LTC3722-1/-2，雖然已增加二次側(cè)同步整流控制信號(hào)，但仍不能有效地達(dá)到二次側(cè)的ZVS/ZCS同步整流，但這是提高變換器效率最有效的措施之一。而LTC3722-1/-2的另一個(gè)重大改進(jìn)是可以減小諧振電感的電感量，這不僅降低了諧振電感的體積及其損耗，占空比的丟失也所改進(jìn)。

1.1.3 同步整流