开关电源新技术的应用研究

钱莹　邢仁周

摘要：以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代，开关电源的工作频率得以大大提高，一些新技术的应用更是进一步提升了开关电源的性能。开关电源拥有更广阔的发展空间和应用前景。

关键词：开关电源；有源钳位技术；软开关技术

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）10-2421-02

Abstract： A power MOSFET and IGBT represented， set the high-frequency， high-voltage and high current in a power semiconductor composite device， indicating that the traditional power electronics technology has entered the era of modern power electronics， switching power supply operating frequency can be greatly improved， some of the new technologies application is to further enhance the performance of the switching power supply. Switching power supply have a broader space for development and application prospects.

Key words： switching power supply； active clamp technique； soft switch technology

1 概述

开关电源发明于上世纪六十年代，至今已经有50多年的发展史。最早期的开关电源技术并不成熟，例如，可控桂相位控制开关和分立元件开关电源，他们的开关频率较低，结构复杂，很难调试和操作，而且造价较高，所以并没有得到广泛使用，只运用在国防、航天等场合。直到70世纪开始出现了脉宽调制型开关，才使得开关电源器件得到了广泛地使用。随着技术的发展，IGBT和MOS开关管问世。IGBT技术解决了早期开关频率较低的问题，将电源的工作频率由20kHz扩展至几百千Hz至几兆Hz，使开关电源可以在中大功率电器中使用，MOS管技术的运用提高了电源的工作频率，大大提升了开关电源的效率。上世纪末，同步整流技术也被运用到开关电源中，使得开关电源的效率进一步得到了极大的提升。各种新型技术的使用都开关电源的性能不断地得到提升。

2 有源钳位技术

对反激式开关电源而言， 每当功率开关管（MOSFET）由导通变成截止时，在开关电源的一次绕组上就会产生尖峰电压和感应电压。其中的尖峰电压是由于高频变压器存在漏感（即漏磁产生的自感）而形成的，它与直流高压UI 和感应电压UOR 叠加在MOSFET 的漏极上，很容易损坏MOSFET。为此，必须在增加漏极钳位保护电路，对尖峰电压进行钳位或者吸收。由电阻，电容，二极管构成的钳位电路属于无源钮位，能吸收由于高频变压器漏感产生的尖峰电压，但电路本身消耗功率大，图1所示四种无源钳位保护电路。

图1展示了4种无源钳位保护电路：

图1中的（a）图为TVS、VD 型钳位电路，它是由瞬态电压抑制器TVS（这里使用的是P6KE200），加上阻塞二极管（这里使用的是超快恢复二极管UF4005）组合构成的。

（b）图为R、C、VD 型钳位电路，是由阻容吸收元件加上阻塞二极管共同构成。

（c）图为R、C、TVS、VD 型钳位电路，这种电路是由阻容吸收元件配合瞬态电压抑制器和阻塞二极管共同构成。

（d）图为VDZ、R、C、VD 型钳位电路，此种电路是由稳压二极管，阻容吸收元件以及阻塞二极管构成。

有源钳位电路的结构图如图2所示。电路是由两个电容和两个MOS管组合而成。这种组成方式可以使开关电源的功率损耗大大地减少，提高了工作效率。

3 软开关技术

影响开关电源整体效率的另一项因素是电源中的开关损耗，开关电源的频率越大，开关损耗也随着增加。为了降低这种损耗，现在越来越多地将软开关谐振技术运用到了高频开关电源中。这种技术的特点是，开关管电流的波形近似地为正弦波，在电流为零时开关管断开，在电压为零时开关管导通。电压和电流不会同时在管上存在，这样就使开关损耗大大降低。软开关技术的使用就在保证电源开关频率的同时使开关的损耗降到了最低。

软开关技术即在开关管改变状态的时候使两端的电流或者电压的值为零，即实现开关管零电压开关和零电流开关。

在开关管导通的时刻，使管内流过的电流值为零，或使电流的上升率保持在最低，或者在导通前使管两端的电压值变为零。这样就可以使开关管能够零电流导通或者零电压导通，这两种方法都能够使开关管的电压电流的交叠降到最低，有效降低开关损耗。理想的软开关导通过程如图3所示：

在开关管关断的时刻，使管两端的电流值为零，或使电压的上升率保持在最低，或者在关断前使管两端的电压值变为零。这样就可以使开关管能够零电压关断或者零电压关断，这两种方法都能够使开关管的电压电流的交叠大大下降，有效降低开关损耗。理想的软开关关断过程如图4所示：

4 功率因数较正技术

电路中往往用到很多电容滤波电路和二极管桥式整流电路，这些电路的使用会使得输入波形发生很大的改变，由正弦波变成了很多尖峰脉冲的集合。而尖峰脉冲电流波形的出现会对供电电网产生干扰，使电源的利用率大大降低。功率因数较正技术能够将输入电流波形整形为正弦波，并与输入电网电压同相。

5 模块化设计

电源模块采用集成电路技术，将控制IC，片状电阻，超小型电解电容，电感等组装一体。模块化的电源比以往的整机电源更加轻巧简单，但是电源的稳定性更好，而且安装和维修也较以往的整机电源更加方便快捷。

6 结论

在保证开关电源高频率工作的前提下，有效降低功率损耗是当今开关电源的一项重要的技术要求，而模块化所具有的优势决定了其必然是电源发展的一个总体的趋势。随着我国电子行业的迅猛发展和电力电子技术的提高，开关电源也在得到不断地改进和发展，今后必将在各个行业发挥更加重要的作用。

参考文献：

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[2] 赵争鸣.电力电子技术应用系统发展热点综述[J].变频器世界，2010（1）.

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