论新型开关电源的应用与原理

论新型开关电源的应用与原理

摘要：电源是各种电子设备的基础。随着电子技术的不断发展，应用领域的不断扩大，对开关电源提出了更高的要求。本文简单介绍了开关电源的分类和应用在新型开关电源中的新技术等，对开关电源的原理及发展动向进行了分析。

关键词：开关电源；应用；原理

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向下移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。

1.开关电源的分类

人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，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轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，也有AC/AC和DC/AC， 如逆变器。

开关电源工作方式主要有两种，一种是自激式，这种方式是不需要外加激励信号电路即能自行振荡，也可以把自激式看做是一个变压器反馈式振荡电路；另一种是它激式，这种方式就是完全依赖外部来维持振荡。在实际应用中自激式电源的应用较为广泛，比如在家用电器中使用的开关电源，将220V的交流电经过桥式整流，变换成300V左右的直流电，滤波后进入变压器后加到开关管的集电极进行高频振荡，反馈绕组反馈到基极维持电路振荡，负载绕组感应的电信号，经整流、滤波、稳压得到的直流电压给负载提供电能。

2.开关电源的新技术

这里所说的新技术，指在最近几年发展起来的开关电源技术。

2.1软开关技术

软开关技术是使功率变换器得以高频化的重要技术之一, 它应用谐振的原理, 使开关器件中的电流(或电压) 按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时, 使器件关断(或电压为零时, 使器件开通) , 从而减少开关损耗。它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题及二极管反向恢复问题, 而且还能解决由硬开关引起的EMI等问题。

目前无源无损缓冲电路是实现软开关的重要技术之一, 在直流开关电源中也得到了广泛的应用。软开关的工作原理是MOS管关断后电路中的Lr与Cr间发生谐振，电压和电流的波形类似于正弦半波，谐振减缓了开关过程中电压和电流的变化，而且使MOS管两端的电压在其开通前就降为零。

2.2同步整流技术

同步整流技术就是用具有低导通电阻特性的MOSFET代替传统的肖特基整流二极管，由于MOSFET的正向压降很小，所以大大降低了整流部分损耗。在开关管动作的同时，对MOSFET给出[全文]时序随电路拓扑工作要求作相应变化的门极驱动信号，由于门极驱动信号与MOSFET开关动作接近同步，所以称为同步整流(Synchronous Rectification ,简称SR) 。与肖特基二极管的整流方式相比较，很显然，在低压大电流的应用中采用同步整流技术可以获得更高的效率。

2.3多相变换器技术

多相变换器（Multiphase Converter）的概念是大约5年前提出的，针对的应用场合就是微处理器类的负载，因为该类负载对电源的动态响应、纹波的要求非常严格。要满足这样的要求，电源需要工作在非常高的频率，但开关器件的开关速度和损耗成为难以解决的问题。这种情况下，多相变换器的概念应运而生，即采用多个变换器并联的拓扑结构，在开关信号上作统一控制，实现几个变换器在一个完整周期内轮流交替运行，这样，开关损耗被几个变换器分担，而开关频率则是几个变换器的叠加。

3. 开关电路拓扑结构的选择

开关电源的电路多达几十种，选择电路拓扑是一项非常重要的工作，因为像元器件选择、磁芯元件选择、环路补偿等都取决于电路拓扑。每种电路拓扑结构有各自的特点，工作过程不一样，应用场合也不一样，要根据电源的要求和技术指标来选取合适的拓扑结构。

电路拓扑的种类包括buck变换器、反激式变换器、正激式变换器、buck-boost变换器、推挽变换器、谐振变换器、软开关变换器和符合变换器等，其选择时需要考虑的因素包括电源是升压还是降压，占空比的实际限制，输出的组数，是否需要隔离，EMI的要求，开关器材选用双极型晶体管还是MOPSFET，工作电流是否连续，控制模式是电压控制还是电流控制模式等。

4.开关电源技术的发展动向

开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。

电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国开关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。