电力电子设备的发展方向之一是小型化,降低其体积、重量,提高功率密度。例如,随着微处理器大规模集成电路(VLSI)尺寸的不断减小,而供电电源的尺寸与微处理器相比却要大得多。因此,必须采取新的技术来降低开关电源的体积重量。20世纪人们在提高开关电源功率密度方面做了不少工作。开关电源的小型化、减轻重量对便携式电子设备(如移动电话、数码相机)尤为重要。为了实现开关电源高功率密度,必须提高PWM
DC/DC转换器的工作频率,从而减小电路中储能元件的体积和重量。
200W以下的小功率高频开关电源的DC/DC转换器做成标准模块,外形像一块砖。根据国际标准,按外形尺寸以砖(Brick)为标准单位分类。例如,1/8砖、1/4砖、1/2砖(尺寸分别为0.8in×2.3in×0.36in、1.45in×2.3in×0.4in和2.4in×2.3in×0.4in)和全砖。2004年又推出了1/16砖的DC/DC转换器模块。
PWM开关电源按硬开关模式工作时,在开关过程中,功率开关器件的电压和电流波形有交叠,因而开关损耗大。高频化可以缩小感性元件和容性元件的体积重量,但开关频率越高,开关损耗越大。为此,必须采取措施来提高高开关频率DC/DC转换器的效率。人们研究了在开关过程中开关器件的电压和电流波形不相交叠的技术,即所谓零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)技术,总称为软开关技术(相对于PWM硬开关技术而言)。除了减小开关损耗以外,应用软开关技术还可以大大降低开关的噪声,以及减小了开关电源对外界的电磁干扰。
20世纪90年代中期,30A/48V PWM
DC/DC转换器采用移相全桥ZVS-PWM技术后,重7kg,比用PWM技术的同类产品重量下降40%。软开关技术的开发和应用,提高了开关电源的效率。据说,最近国外小功率DC/DC转换器开关电源模块(48/12V)总效率可以达到96%;48/5V
DC/DC转换器开 关电源模块的效率可以达到92%~93%。⒛世纪末,国内生产的通信用50~100
A输出,全桥移相式ZVZCS-PWM开关电源模块的效率超过93%。
1994年2月,IEEE电力电子学会组织“功率转换技术2000年展望专题研讨会”,就DC/DC及AC/DC功率转换器的发展趋势与需求进行讨论。指出
“高功率密度DC/DC零电压开关转换器”与开关器件的性能、无源元件的性能、封装技术等有很大关系。并预测,与1994年相比,到2000年,在保证可靠性增强一倍的基础上,DC/DC转换器的成本将降低一半,功率密度可以提高一倍。事实证明,有的DC/DC转换器产品已经达到了这个目标。
对于低电压大电流输出的开关电源,进一步提高其效率的措施是:在应用软开关技术的基础上,以功率MOS管反接作为整流用开关二极管,称为同步整流(Synchronous
Rectifier,SR),用皿代替肖特基二极管(SBD)可以降低整流管压降,从而提高开关电源的效率。有报道称,应用软开关和同步整流技术的小功率DC/DC转换器开关电源,48/12V模块的效率可以达到96%、48%/5V模块的效率可以达到92%~93%。
压电变压器是利用压电陶瓷材料特有的电压一振动转换和振动一电压转换的性质传送电能的,其等效电路如同一个串并联谐振电路。它是功率转换领域的研究热点之一,研究的内容包括:压电材料的损耗评估、PET设计计算方法,仿真、参数分析、有限元分析、振动速度极限、PET的高频性能等。国内已经开发出50
W的PET。在高频DC/DC转换器中,PET的应用已有报道:如输出24 W、12 V的2 MHz DC/DC转换器(其中PET电压
变比为5:1),输出2W、1200V
AC的口光灯电源(PET电压变比为1:20),冷阴极荧光灯和霓虹灯逆变器等。如图所示为DC/DC转换器中的压电变压器,其输入为有源钳位ZVS逆变电路,产生梯形波交流电,输出为整流滤波电路,压电变压器如同串、并联谐振电路。