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开关电源 — 未来何去何从
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开关电源 — 未来何去何从

2021-08-30 17:13:18 来源:TRACO POWER

在过去 40 年间,开关电源从 50 Hz 变压器一路演变成为高频开关电源,主要得益于半导体开关实现了更快的发展。

开关电源 — 未来何去何从

从 1977 年开始采用 Eurocard 的 AC/DC 开关电源80 瓦(规格 160x100mm,图中不带电源变压器)

在过去 40 年间,开关电源从 50 Hz 变压器一路演变成为高频开关电源,主要得益于半导体开关实现了更快的发展。开关电源从相对较慢的开关晶闸管发展成为双极型晶体管,前期采用低阻断电压,后期则发展为采用高阻断电压。这使得切换频率达到了高至 60kHz 的水平。在 20 世纪 80 年代,场效应晶体管属于技术先进产品,在市场上售价合理,性价比也较高。这使得进一步提高切换频率成为可能,这一次达到数百 kHz。当然,不断增加开关电源中的切换频率并不能解决问题。由于磁力的物理特性,这会使得变电装置越来越小,开关电源的设计也会相应地越来越小。一方面,变电装置需要实现与危险干线电压的绝缘;另一方面,变电装置需要调整输出电压水平,以适应消费者的需求。但是,除非采用额外的冷却方法,否则切换频率越高,开关的损耗也会越大,这一点与采用更小体积设计的目标相悖。为此,我们现在使用的是更为复杂的切换拓扑结构,这样,在无电压或无电流状态下开关元件均可被接通和关断。即使基于开关技术无法实现这一功能,但目前的二极管和晶体管仍然使用了能够极速切换的砷化镓或碳化镓开关元件。尽管与 MOSFET 技术相比,这些组件仍然非常昂贵,但其价格已呈现缓慢下降的趋势,因此会越来越适合工业应用。下面将详细介绍进一步提高切换频率所带来的发展机会和挑战。

切换频率对变电装置大小的影响

20 世纪 70 年代,人们还在使用带有 50Hz 变压器的开关电源,它们的外形也较大较重。一个 250 瓦的电源比鞋盒还大,重量约为 10 公斤。变电装置一直是每个电源单元的重要组成部分,因此,它很大程度上影响了开关电源的大小。变电装置中的可传递能量主要取决于冷却、变压器铁芯体积、绕组和磁场的变化率,这些因素也决定了传输频率。因此,如果要在保持相同功率水平的同时,增加变压器的可传输功率或缩小变压器的尺寸,则需要提高传输频率。在不考虑绝缘要求的情况下,变电装置的可传输功率一级近似值与传输频率的平方根成反比。因此,在现代开关电源中,50Hz 的干线电压先是被整流,然后通过电子开关从直流电压中产生交流电压。例如,如果该交流电压的频率为 50kHz,则所需的变电装置尺寸约是 50Hz 时的 30 分之一,而这自然也会影响开关电源的体积和重量。在 500kHz 的频率下,变电装置的尺寸可以进一步缩小至原来的三分之一。这意味着,频率有任何额外的增加,变电装置的尺寸也只能有适度的缩小。

切换频率对缓冲器和滤波器尺寸的影响

在开关电源中,电容器用于缓冲电流中断时的电压,平滑电流和电压的残余纹波,或过滤高频干扰。这些电容器的尺寸也可以随频率呈线性缩小,从而导致开关电源的体积减小。但是,这不包括开关电源输入端的缓冲电容器(无论是否进行功率因数校正),因为这些电容器必须在直流电(即 100Hz)下运行。这也是不能随意减小开关电源尺寸的原因,除非省略了缓冲时间。

开关电源 — 未来何去何从

从 1990 年开始采用金属封装的 AC/DC 开关电源100 瓦 (160x93mm)

工作温度和冷却对开关电源尺寸的影响

经常被人们忽略的一点是,如果功率输出不受电流或功率限制,则开关电源的最大可传输功率主要取决于开关电源中允许的最高工作温度和冷却组件。制造商的声明上经常会夸大其词,但如果不能提供预期的冷却效果,可能会导致用户方出现问题。因此,在选择开关电源时,最好参考制造商提供的能效等级或功率损失。如果一家制造商允许组件的工作温度明显高于另一家更保守的制造商,则开关电源的额定功率可能会高出许多;然而,这会大大降低其永久运行期间的可靠性。总体上,如今的开关电源可以说在开关技术方面已实现最小化,任何进一步的体积减小只能通过散热片或额外的空气冷却来实现。但额外的冷却会增加成本,特别是空气冷却会产生噪音并可能带来污染,因此,这种方法有待商榷。

能效等级对开关电源尺寸的影响

如上所述,通过提高切换频率来进一步缩小开关电源尺寸的方法已经寥寥无几。而通过努力提高能效等级,降低自发热水平来增加传输功率则是目前更有希望的方法。20 世纪 80 年代,也就是开关电源面市初期,工业用开关电源的能效水平为 70% 左右,到了 90 年代,这一水平显著增加至 80% 以上。近十年来,开关电源的能效达到 90% 已成为技术标准。

 

开关电源 — 未来何去何从

从 2005 年开始使用的开放式框架 AC/DC 电源100 瓦 (101x51mm)

进一步提高开关电源能效等级的方法

目前,用于开关电源的变电装置主要通过谐振开关 FET 提供输入电压。这些组件价格低廉,由于在零电压或零电流点接通或关断,它们的损耗率也非常低,因而非常适合 800 瓦左右电源的需要。如今,100 瓦以上开关电源的输入端经常使用升压转换器,其功率因数(超过 95%)明显高于仅使用整流器时的功率因数。此电路组件中必须集成附加电感。为使其保持尽量小的体积,不能简单地在无电流或无电压状态下接通或关断关联的高频断路器。对于这种情形,使用创新的极速切换半导体开关断路器便非常适合。尤其是,这种开关元件使用了基于砷化镓 (GaAs) 或碳化硅 (SiC) 材料的半导体。这些开关元件的传输频率大约是传统硅半导体的十倍。这与接通和关断时的传输过程(切换过程)显著加快有关。与硅 MOSFETS 相比,这些开关元件仍然非常昂贵,但它们的价格正在下降,这对开关电源的价格和性能的进一步发展有显著影响。

当前开关电源的拓扑结构

为了确保开关电源的输入端能够获得符合允许限值的高功率因数,性能在 100 瓦以上的现代开关电源通常采用两级设计。转换器产生预先调节的直流电,它采用调节方式可使该转换器的输入电流接近正弦。第二个转换器通常设计为谐振转换器,它将电压转换到较低的水平,并将输入电压与输出电压分离。进一步的发展开关电源将不断缩小至更合适的尺寸,功率密度也将不断增加,尽管无法再现过去 10 至 20 年间的发展速度。

与过去相比,限制因素更多在于以余热形式释放的功率损耗,随着尺寸的不断缩小,释放的难度也将越来越大。

开关电源 — 未来何去何从

从 2015 年开始使用的开放式框架 AC/DC 开关电源100 瓦 (76x51mm)

建议

建议用户将开关电源的性能数据(特别是功率损耗信息)与声明的设计数值进行关联和比较。为了确保应用的可靠性,对于明显的差异,应始终秉持质疑态度并要求澄清。“小即美”的观念只适用于运行过程中产生的功率损失也相对小的情况!

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