DCDC變換器的發(fā)展及應(yīng)用

1、DC/DC變換器的發(fā)展與應(yīng)用周志敏 （萊蕪鋼鐵集團公司動力部，山東萊蕪） 摘 要：介紹電壓調(diào)整模塊（VRM）技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)和高頻磁技術(shù)在DC/DC變換器中的應(yīng)用，分析DC/DC變換器發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，并探討其發(fā)展的趨勢。 關(guān)鍵詞：電壓調(diào)整模塊；軟開關(guān)；高頻磁技術(shù) 1引言 直流-直流變換器（DC/DC）變換器廣泛應(yīng)用于遠程及數(shù)據(jù)通訊、計算機、辦公自動化設(shè)備、工業(yè)儀器儀表、軍事、航天等領(lǐng)域，涉及到國民經(jīng)濟的各行各業(yè)。按額定功率的大小來劃分，DC/DC可分為750W以上、750W1W和1W以下3大類。進入20世紀(jì)90年代，DC/DC變換器在低功率范圍內(nèi)的增長率大幅度提高，其中6W25WDC/DC變換

2、器的增長率最高，這是因為它們大量用于直流測量和測試設(shè)備、計算機顯示系統(tǒng)、計算機和軍事通訊系統(tǒng)。由于微處理器的高速化，DC/DC變換器由低功率向中功率方向發(fā)展是必然的趨勢，所以251W750W的DC/DC變換器的增長率也是較快的，這主要是它用于服務(wù)性的醫(yī)療和實驗設(shè)備、工業(yè)控制設(shè)備、遠程通訊設(shè)備、多路通信及發(fā)送設(shè)備，DC/DC變換器在遠程和數(shù)字通訊領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。 DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無軌電車、地鐵、列車、電動車的無級變速和控制，同時使上述控制具有加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能,并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約203

3、0的電能。直流斬波器不僅能起到調(diào)壓的作用(開關(guān)電源),同時還能起到有效抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。 DC/DC變換器現(xiàn)已商品化,模塊采用高頻PWM技術(shù),開關(guān)頻率在500kHz左右,功率密度為0.31W/cm31.22W/cm3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實現(xiàn)小型化,因此就要不斷提高開關(guān)頻率和采用新的電路拓撲結(jié)構(gòu)。目前，已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)技術(shù)的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。 電子產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展極大地推動了開關(guān)電源的發(fā)展。高頻小型化的開關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代電子設(shè)備供電系統(tǒng)的主流。在電子設(shè)備領(lǐng)域中,通常將整流器稱為一次電源,而將DC/DC變換

4、器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標(biāo)稱值為48V的直流電源。目前，在電子設(shè)備中用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關(guān)電源取代,高頻開關(guān)電源(也稱為開關(guān)型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT實現(xiàn)高頻工作,開關(guān)頻率一般控制在50kHz100kHz范圍內(nèi),實現(xiàn)高效率和小型化。近幾年,開關(guān)整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。 因為電子設(shè)備中所用的集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在電子供電系統(tǒng)中，采用高功率密度的高頻DC/DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成

5、所需的各種直流電壓,可以大大減小損耗、方便維護,且安裝和增容非常方便。一般都可直接裝在標(biāo)準(zhǔn)控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因為電子設(shè)備容量的不斷增加,其電源容量也將不斷增加。2電力電子器件 功率變換技術(shù)高速發(fā)展的基礎(chǔ)是電力電子器件和控制技術(shù)的高速發(fā)展，在21世紀(jì)，電力電子器件將進入第4代即智能化時代，具有如下顯著的特征。2.1高性能化 高性能化主要包括高電壓、大容量、降低導(dǎo)通電壓低損耗、高速度和高可靠性等4個方面。如IGBT的電流可達2kA3kA、電壓達到4kV6kV，降低損耗是所有復(fù)合器件的發(fā)展目標(biāo)。預(yù)計在21世紀(jì)IGBT、智能化功率模塊（IPM）等器件的導(dǎo)通電壓可降到1V以下，而M

6、OSFET、IBGT、MCT等器件的應(yīng)用頻率將達到兆赫數(shù)量級。2.2智能化和集成化 智能化的發(fā)展是系統(tǒng)智能集成（ASIPM），即將電源電路、各種保護以及PWM控制電路等都集成在一個芯片上，制成一個完整的功率變換器IC。集成電力電子模塊（IPEM）是將驅(qū)動、自動保護、自診斷功能的IC與電力電子器件集成在一個模塊中。由于不同的元器件、電路、集成電路的封裝或相互連接產(chǎn)生的寄生參數(shù)已成為決定電力電子系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，所以采用IPEM方法可減少設(shè)計工作量，便于生產(chǎn)自動化，提高系統(tǒng)質(zhì)量、可靠性和可維護性，縮短設(shè)計周期，降低產(chǎn)品成本。 IPEM與IPM或PIC的不同之處在于后者是單層單片集成，一維封裝；而前者

7、是高電壓、大電流、多層多片集成，三維封裝，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，多方向散熱，其熱設(shè)計也更加重要。IPEM研究課題中有待解決的基本問題是結(jié)構(gòu)的確定和通用性，新型電力電子器件評估的主要方面是開關(guān)單元、拓撲結(jié)構(gòu)、高電壓大電流功率器件的單片集成。大功率無源器件集成、IPEM三維封裝（控制寄生參數(shù)，將寄生影響控制在最小范圍）、熱管理、IPEM設(shè)計軟件、接口與系統(tǒng)的兼容性、IPEM性能預(yù)測、可靠性冗余和容錯等都需要跨學(xué)科研究。因為與現(xiàn)代電力電子學(xué)相關(guān)的學(xué)科十分廣泛，包括基礎(chǔ)理論學(xué)科，如固體物理、電磁學(xué)、電路理論；專業(yè)理論學(xué)科如電力系統(tǒng)、電子學(xué)、系統(tǒng)與控制、電機學(xué)及電氣傳動、通信理論、信號處理、微電子技術(shù)；及電磁測量

8、、計算機仿真、CAD等，覆蓋了材料、器件、電路與控制、磁學(xué)、熱設(shè)計、封裝、CAD集成、制造、電力電工應(yīng)用等專業(yè)技術(shù)。就目前我國電力電子技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀而言，迫切需要跨學(xué)科并運用多種專業(yè)技術(shù)進行聯(lián)合研究，以適應(yīng)當(dāng)今國際電力電子科技前沿技術(shù)的發(fā)展。2.3模塊化 模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指單元的模塊化。常見的功率器件模塊含有1單元、2單元、6單元直至7單元,包括開關(guān)器件和與之串并聯(lián)的續(xù)流二極管,實質(zhì)上都屬于標(biāo)準(zhǔn)功率模塊(SPM)。近年來,有些公司把開關(guān)器件的驅(qū)動保護電路也裝到功率模塊中構(gòu)成IPM,不但縮小了整機的體積,而且更加方便了整機的設(shè)計與制造。實際上,由于頻率不斷提

9、高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應(yīng)力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經(jīng)過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設(shè)計,產(chǎn)品性能優(yōu)良。它類似于微電子電路中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應(yīng)的散熱器上,就構(gòu)成一臺新型的開關(guān)電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,可縮小整機體積,更重要的是取消了傳統(tǒng)連線,把寄生參數(shù)值降到最小,從而把器件承

10、受的電應(yīng)力降至最低,提高了系統(tǒng)的可靠性。另外,大功率的開關(guān)電源,由于器件容量的限制和冗余度的增加，從提高可靠性方面考慮,一般采用多個獨立的模塊單元并聯(lián)工作,采用均流技術(shù),所有模塊共同分擔(dān)負載電流,一旦其中某個模塊失效,其它模塊再平均分擔(dān)負載電流。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量情況下可滿足大電流輸出的要求,而且通過增加相對于整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊,極大地提高了系統(tǒng)的可靠性,即使萬一出現(xiàn)單個模塊故障,也不會影響系統(tǒng)的正常工作,而且可提供充分的時間進行修復(fù)。3新的DC/DC變換器技術(shù)3.1VRM技術(shù) 就DC/DC變換器而言，由于現(xiàn)代微處理器和一些超高速大規(guī)模集成電路芯片，如I

11、ntel、Pentium、Pro等，要求在低電壓（2.4V3.3V）、大電流（13A）狀態(tài)下工作，而其直流母線電壓通常為5V12V。這樣，就需要將直流母線電壓通過DC/DC變換器進行變換，通常用VRM來實現(xiàn)。顯然，隨著芯片集成密度、工作速度的進一步提高，芯片的工作電壓將進一步下降，工作電流進一步增大。人們對VRM提出了新的挑戰(zhàn)，要求VRM具有非?？焖俚呢撦d電流響應(yīng)，在保證足夠小的體積的同時，還要具有高效率。要使VRM具有快速的負載電流動態(tài)響應(yīng)，傳統(tǒng)的解決辦法是在VRM的輸出端并聯(lián)很多容量很大、等效串聯(lián)電阻很小的退耦電容器。顯然，該方法存在如下問題： 1）退耦電容器體積很大，而現(xiàn)代微處理器對VR

12、M的體積有著嚴格的要求。 2）退耦電容器僅能改善動態(tài)響應(yīng)的影響階段，對后階段及總的動態(tài)響應(yīng)時間沒有作用。 一種交錯疊加型準(zhǔn)方波抵消紋波的變換拓撲結(jié)構(gòu)是其最新的解決方案，如圖1所示，該結(jié)構(gòu)在保證要求輸出紋波的前提下，不但可以大大減少輸出濾波電容器的容量，而且能大大減少VRM輸出濾波電感的電感量。除此以外，為了提高VRM的動態(tài)響應(yīng)，還必須力求減小供電母線的引線電感，其最有效的解決方案是將VRM作成“裝在印刷板上”的直流分布式電源形式，直接裝在負載附近。另一方面，還要求VRM本身具有十分小的引線電感，為了保證VRM具有足夠的效率，必須采用同步整流器和漏感很小的超薄型變壓器。3.2軟開關(guān)技術(shù) 為了縮小

13、DC/DC變換器的體積，提高功率密度，改善動態(tài)響應(yīng)，高頻化是DC/DC變換器技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。但高頻化又會產(chǎn)生新的問題，如開關(guān)損耗及無源元件的損耗增大，高頻寄生參數(shù)及高頻EMI問題等。應(yīng)用各種軟開關(guān)技術(shù)（包括無源無損軟開關(guān)技術(shù)，有源軟開關(guān)技術(shù)）可以減少開關(guān)損耗，提高效率。1994年2月，IEEE電力電子學(xué)會組織“功率變換技術(shù)2000年展望專題研討會”，就DC/DC及AC/DC功率變換器的發(fā)展趨勢與需求進行探討，指出高功率密度DC/DCZVS開關(guān)變換器與器件性能、無源元件、封裝技術(shù)等有很大關(guān)系。與1994年對比，2000年，在保證可靠性增加一倍的基礎(chǔ)上，這種變換器功率密度提高一倍，成本降低一半

14、。 進入20世紀(jì)90年代，各種軟開關(guān)技術(shù)，如ZVS/ZCSPWM、ZVT/ZCTPWM、移相全橋ZVSPWM、有源箝位ZVSPWM等的開發(fā)和應(yīng)用都有較大的發(fā)展。美國Vicor公司生產(chǎn)的48V/600WDC/DC開關(guān)變換器模塊，由于采用高頻軟開關(guān)技術(shù)，功率密度達到7.32W/cm3,效率為90，而3MHz、低電壓（1V）輸出的便攜式DC/DC變換器也正在研究開發(fā)中。3.3高頻磁技術(shù) 隨著電力電子電路與系統(tǒng)的高頻化，在低頻下可以忽略的某些寄生參數(shù)，在高頻下將對某些電路性能（開關(guān)尖峰能量、噪聲水平等）產(chǎn)生重大影響，尤其是磁元件的渦流、漏電感、繞組交流電阻（Rac）和分布電容等在低頻和高頻下的表現(xiàn)有很

15、大不同。 20世紀(jì)90年代高頻磁技術(shù)研究的另一項成果是適用于薄型高頻開關(guān)變換器的薄型平面變壓器，其厚度小于1cm，呈扁平狀。繞組采用銅箔或板型印刷電路，省去繞組骨架，有利于散熱，漏感小，集膚效應(yīng)損耗小。2000年，磁性材料研究的主要方向是：（1）高溫超導(dǎo)；（2）將鐵氧體或其它薄膜材料高密度集成在硅片上或硅材料集成在鐵氧體上；（3）錄音磁頭用薄膜材料高密度集成在硅片上或硅材料集成在鐵氧體上。 將變壓器和電感器集成在一起可縮小磁元件的體積，應(yīng)用混合功率封裝技術(shù)和集成磁技術(shù)可使航空用0.5MHz、薄型100W半橋式DC/DC變換器的厚度僅為5.08mm，功率密度達9.15W/cm3。壓電變壓器的應(yīng)用

16、也使功率變換器電路小型化，如輸出24W的2MHz的DC/DC變換器，應(yīng)用壓電變壓器的變比為5：1，在DC/DC開關(guān)電源領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，壓電變壓器的應(yīng)用將開創(chuàng)DC/DC變換器小型化的發(fā)展之路。4高頻開關(guān)電源的發(fā)展趨勢 在電力電子技術(shù)及各種電源系統(tǒng)中，開關(guān)電源技術(shù)處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頻開關(guān)電源技術(shù),其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大地提高電源的利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關(guān)電源技術(shù)，通過開關(guān)電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅(qū)動控制。高頻開關(guān)電源技術(shù)更是各種大功率開關(guān)電源(逆變焊機、通

17、信電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術(shù)。4.1高頻化 理論分析和實踐經(jīng)驗表明,電氣產(chǎn)品的變壓器、電感器和電容器的體積和重量與供電頻率的平方根成反比。所以，當(dāng)我們把頻率從工頻50Hz提高400倍到20kHz時,則電氣設(shè)備的體積和重量大體下降至工頻設(shè)計的5l0。無論是逆變式整流焊機,還是通信電源用的開關(guān)式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)整流行業(yè)的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進行改造,成為“開關(guān)變換類電源”,可節(jié)約主要材料90或更多,還可節(jié)電30或更多。由于功率器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固

18、態(tài)化,可節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料，由此帶來相當(dāng)可觀的經(jīng)濟效益,更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價值。4.2數(shù)字化 在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中,控制部分是按模擬信號來設(shè)計和工作的。在20世紀(jì)70年代,電力電子技術(shù)完全建立在模擬電路基礎(chǔ)上。但是,現(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要,數(shù)字信號處理技術(shù)日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制，避免模擬信號的畸變失真，減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)，便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào),也便于自診斷、容錯等技術(shù)的植入。所以,在20世紀(jì)90年代,對于各類電路和系統(tǒng)的設(shè)計來說,模擬技術(shù)還是有用的,特別是諸如印制版的布圖、電磁兼容問題以及功率因數(shù)校正等問題的解決,離不開模擬技術(shù),但是對于智能化的開關(guān)電源,當(dāng)用計算機控制時,就需要數(shù)字化技術(shù)。4.3綠色化 電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電,這意味著發(fā)電容量的節(jié)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次是這些電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標(biāo)準(zhǔn),如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節(jié)電設(shè)備,往往會變成電網(wǎng)的污染源:向電