开关电源的发展及分类

摘 要：开关电源技术就是随着电力电子器件、开关频率技术发展的，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着体积小、重量轻、噪声小、可靠性高、抗干扰能力强的方向发展。开关电源按输出输入电压可分为AC/DC和DC/DC两大类。

关键词：变换器；AC/DC变换；新技术

中图分类号：G710 文献标识码：A 文章编号：1003-2851（2012）-09-0220-01

开关电源已有几十年的发展史。早期产品的开关频率很低，成本昂贵。70年代后期以来，随着集成电路与制造技术的进步，各种开关电源专用芯片大量问世，这种新型节能电源才重获发展。目前，开关频率已从20kHz左右提高到几百千赫兹至几兆赫。

近20多年来，集成开关电源沿着下述两个方向不断反展。第一个方向式对开关电源的核心单元――控制电路实现集成化。1977年国外首先研制成功脉宽调制（PWM）控制器集成电路，美国摩托罗拉公司、硅通用公司、尤尼特德公司等相继推出一批PWM芯片，典型产品如MC3520、SG3524、UC3842。90年代以来，国外又研制出了开关频率达1MHz的高速PWM、PFM（脉冲频率调制）芯片，典型产品如UC1825、UC1864。第二个方向则是对中、小功率开关电压实现单片集成化。这大致分两个阶段：80年代初，意-法半导体公司率先推出L4960系列单片开关稳压器。该公司于90年代又推出了L4970A系列。其特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中，使用时需配公频变压器与电网隔离，适于制作低压连续可调式输出（5.1～40V）、大中功率（400W以下）、大电流（1.0～10A）、高效率（可超过90%）的开关电源。但从本质上讲，它仍属于DC/DC电源变换器。

开关电源技术就是随着电力电子器件、开关频率技术发展的，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着体积小、重量轻、噪声小、可靠性高、抗干扰能力强的方向发展。开关电源按输出输入电压可分为AC/DC和DC/DC两大类。

一、DC/DC变换器

随着电力电子的发展，开关电源的DC/DC变换器形式和种类越来越多。

（1）反激式：电路托普简单，元件数少，因此成本较低。但该电路变换器的磁芯单向磁化，利用率低，而且开关器件承受的电流峰值很大，广泛用于数瓦～数十瓦的小功率开关电源中。由于不需要输出滤波电感，易实现多路输出。；（2）正激式：拓扑结构形式和反激式变换器相似，虽然磁芯也是单向磁化，却存在严格意义上的区别，变压器仅起电气隔离作用，而且电路变换器的工作点仅处于磁化曲线的第一象限，没有得到充分利用，因此同样的功率，其变换器体积、重量和损耗大于半桥式、全桥式、推挽式变换器。广泛用于功率数百瓦～数千瓦的开关电源中；（3）半桥式：电路结构较为复杂，但磁心利用率高，没有偏磁问题，且功率开关管的耐压要求低，不超过线路的最高峰值电压。克服了推挽式的缺点。适合数百瓦～数千瓦的开关电源中，高输入电压的场合；（4）全桥式：电路结构复杂，但在所有隔离型开关电源中，采用相同电压和电流容量的开关器件时，全桥电路可以达到最大的功率，目前，全桥型电路多被用于数百瓦～数千瓦的各种工业用开关电源中；（5）推挽式：电路形式实际上是两个对称正激变换器的组合，只是工作时相位相反。变压器磁心双向磁化，因此相同铁芯尺寸的输出功率是正激式的近一倍，但如果加在两个原边绕组上的V-S稍有偏差就会导致铁芯偏磁现象的产生，应用时需要特别注意。适合中功率输出。

今天，随着软开关技术的发展，DC/DC变换电路有了质的飞跃。解决了电路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率可以大幅度提高，使DCIDC变换器进一步模块化、绿色化，且使变换器的重量减轻了。

二、AC/DC变换

AC/DC变换电路是指能够直接将交流电能变换为直流电能的电路，泛称整流电路。在所有的电能基本变换形式中，AC/DC最早出现，自20世纪20年代迄今己经历了以下几个发展阶段：

.旋转式变流机组（电动机-发电机组）

.静止式离子整流器（由充气闸流管和汞弧整流管组成）

.静止式半导体整流器（低频型、高频型）

整流电路可从各种角度进行分类，主要分类方法有：

1.按组成的器件被控程度可分为不可控、半控、全控三种；2.按电路结构可分为桥式电路和零式电路；3.按交流输入相数分为单相电路和多相电路；4.按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。

AC/DC变换器输入为50/60HZ的交流电，其频率为工频，以致整流滤波时需要体积较大的滤波电容器，另外，整流器和电容滤波电路是一种非线性元件和储能元件的组合，因此，虽然输入交流电压为正弦波，但输入交流电流波形却严重畸变，呈脉冲状，交流输入则必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化：同时，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决电磁兼容（EMC）问题难度加大，也就对内部高密度电路设计提出了很高的要求，从而限制了AC/DC变换的模块化。

开关电源按控制方式可分为：1）电压控制型、2）电流控制型、3）VZ控制型三种。以下只对电压控制型和电流控制型方法作简要介绍。

1.电压控制型。目前，开关电源普遍采用电压型脉宽调制（PWM）技术，电压型控制方法是：利用输出电压Uo采样作为控制环的输入信号，将该信号与基准电压Uref进行比较，并将比较的结果放大生成误差电压Ue。误差电压与振荡器生成的锯齿波Ur进行比较生成一脉宽与Ue大小成正比的方波，该方波经过锁存器和驱动电路来驱动开关管的导通和关断，以实现开关变换器输出电压的调节。电压型控制方法只有一个控制环，因而设计和分析相对比较简单。由于锯齿波的幅值比较大，所以抗干扰能力比较强。

2.电流控制型。电流型PWM技术是近年兴起的新技术，电流型控制正是针对电压型控制的一些缺点而发展起来的。它除了保留了电压控制的输出电压反馈控制部分外，又增加了一个电流反馈环节，是一个电压、电流双闭环控制系统。电流型控制的工作原理是采用恒频时钟脉冲置位锁存器，输出脉冲驱动功率管导通，电源回路中的电流脉冲就逐渐增大，当电流在采样电阻上的幅度达到Ue时，脉宽比较器的状态翻转，锁存器复位，驱动脉冲撤除，功率管从导通转为截止。

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