DC/DC变换器的发展与应用（1）
摘要：文中阐述了VRM技术、软开关技术和高频磁技术在DC/DC变换器中的应用，分析了DC/DC变换器发展的关键技术，并探讨了其发展的趋势。
关键词：VRM 软开关 高频磁技术
1. 概述
DC/DC变换器，按额定功率的大小来划分，可分为750W以上、750W—1W和1W以下三大类。DC/DC变换器广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，其涉及到国民经济的各行各业。进入90年代未DC/DC变换器在低功率范围增长率最高，其中6—25WDC/DC变换器的增长速率最高，这是因为它们大量用于直流分布电源，而直流分布电源正广泛地用于测量和测试设备、计算机显示系统、坚固可靠的计算机和军事通讯系统。而由于微处理器的高速化，DC/DC变换器由低功率向中功率方向发展是总的趋势，所以251—750W的DC/DC变换器的增长率也是较快的，这主要是它用于服务性的医疗和实验设备、工业控制设备、远程通讯设备、多路通信及发送设备，DC/DC变换器在远程和数字通讯领域有着广阔的应用前景。
DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20—30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源), 同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。
DC/DC变换器现已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为5W—20W/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。
电子行业的迅速发展极大的推动了开关电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代电子设备供电系统的主流。在电子设备领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在电子设备中用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。
因电子设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在电子供电系统中采用高功率密度的高频DC/DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因电子设备容量的不断增加,其电源容量也将不断增加。
2.电力电子器件
功率变换技术的高速发展的基础是电力电子器件和控制技术的高速发展，在21世纪，电力电子器件将进入第四代—智能化时代，其基本的发展趋势是：
2.1高性能化
高性能化主要包括高电压、大容量、降低导通电压低损耗、快速化和高可靠等四个方面。如IGBT在未来不久电流可达到2—3KA、电压达到4—6KV，降低损耗是所有复合器件的发展目标，预计在21世纪IGBT、IPM等器件的导通电压可降到1V以下，而电力MOSFET、IBGT、MCT等器件的应用频率将达到千KHz。
2.2智能化和集成化
智能化的发展是系统智能集成（ASIPM），即将电源电路、各种保护以及PWM控制电路等都集成在一个芯片上制成一个完整的功率变换器IC产品。集成电力电子模块（IPEM）是将驱动、自动保护、自诊断功能的IC与电力电子器件集成在一个模块中。由于不同的元器件、电路、集成片的封装或相互连接产生的寄生参数已成为影响电力电子系统性能的关键问题，所以采用IPEM方法可减少设计工作量，便于生产自动化、提高了系统质量、可靠性和可维护性，使得设计周期缩短，产品成本下降。
IPEM与IPM或PIC不同之处在于后者是单层单片集成，一维封装，而前者是高电压、大电流、多层多片集成、三维封装，结构更复杂，多方向散热，其热设计也更加重要。IPEM研究课题中有待解决的基本问题有；结构的确定和通用性问题，新型的电力电子器件的评估是；开关单元、拓扑结构、高电压大电流功率器件单片集成并与检测控制电路集成在同一基片上的问题。大功率无源器件集成、IPEM三维封装（控制寄生参数和使寄生影响控制在最小的范围）、热管理、IPEM设计软件、接口与系统的兼容性、IPEM性能预测、可靠性冗余和容错等这些都需要跨学科联合研究。因与现代电力电子学相关的学科十分广泛，包括基础理论学科如：固体物理、电磁学、电路理论，专业理论学科如：电力系统、电子学、系统与控制、电机学及电气传动、通信理论、信号处理、微电子技术，以及专门技术如：电磁测量、计算机仿真、CAD等，其覆盖了材料、器件、电路与控制、磁学、热设计、封装、CAD集成、制造、电力及电工应用等。就目前我国电力电子技术发展的现状，迫切需要跨学科，应用多种专业技术进行联合研究，以跟上当今电力电子国际科技前沿技术的发展，在21世纪我们面临着机遇和挑战并存，加大电力电子技术这一领域的研究和开发力度，以增强我国在这一领域在国际市场的竞争力。
2.3模块化
模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、 机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。另外,大功率的开关电源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑,一般采用多个独立的模块单元并联工作,采用均流技术,所有模块共同分担负载电流,一旦其中某个模块失效,其它模块再平均分担负载电流。这样,不但提高了功率容量, 在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求, 而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。