開關(guān)電源 — 未來何去何從

在過去 40年間，開關(guān)電源從 50 Hz變壓器一路演變成為高頻開關(guān)電源，主要得益于半導(dǎo)體開關(guān)實現(xiàn)了更快的發(fā)展。開關(guān)電源從相對較慢的開關(guān)晶閘管發(fā)展成為雙極型晶體管，前期采用低阻斷電壓，后期則發(fā)展為采用高阻斷電壓。這使得切換頻率達到了高至 60kHz的水平。在 20世紀(jì) 80年代，場效應(yīng)晶體管屬于技術(shù)先進產(chǎn)品，在市場上售價合理，性價比也較高。這使得進一步提高切換頻率成為可能，這一次達到數(shù)百 kHz。當(dāng)然，不斷增加開關(guān)電源中的切換頻率并不能解決問題。由于磁力的物理特性，這會使得變電裝置越來越小，開關(guān)電源的設(shè)計也會相應(yīng)地越來越小。一方面，變電裝置需要實現(xiàn)與危險干線電壓的絕緣；另一方面，變電裝置需要調(diào)整輸出電壓水平，以適應(yīng)消費者的需求。但是，除非采用額外的冷卻方法，否則切換頻率越高，開關(guān)的損耗也會越大，這一點與采用更小體積設(shè)計的目標(biāo)相悖。為此，我們現(xiàn)在使用的是更為復(fù)雜的切換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這樣，在無電壓或無電流狀態(tài)下開關(guān)元件均可被接通和關(guān)斷。即使基于開關(guān)技術(shù)無法實現(xiàn)這一功能，但目前的二極管和晶體管仍然使用了能夠極速切換的砷化鎵或碳化鎵開關(guān)元件。盡管與 MOSFET技術(shù)相比，這些組件仍然非常昂貴，但其價格已呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢，因此會越來越適合工業(yè)應(yīng)用。下面將詳細(xì)介紹進一步提高切換頻率所帶來的發(fā)展機會和挑戰(zhàn)。

切換頻率對變電裝置大小的影響

20 世紀(jì) 70年代，人們還在使用帶有 50Hz變壓器的開關(guān)電源，它們的外形也較大較重。一個 250瓦的電源比鞋盒還大，重量約為 10公斤。變電裝置一直是每個電源單元的重要組成部分，因此，它很大程度上影響了開關(guān)電源的大小。變電裝置中的可傳遞能量主要取決于冷卻、變壓器鐵芯體積、繞組和磁場的變化率，這些因素也決定了傳輸頻率。因此，如果要在保持相同功率水平的同時，增加變壓器的可傳輸功率或縮小變壓器的尺寸，則需要提高傳輸頻率。在不考慮絕緣要求的情況下，變電裝置的可傳輸功率一級近似值與傳輸頻率的平方根成反比。因此，在現(xiàn)代開關(guān)電源中，50Hz的干線電壓先是被整流，然后通過電子開關(guān)從直流電壓中產(chǎn)生交流電壓。例如，如果該交流電壓的頻率為 50kHz，則所需的變電裝置尺寸約是 50Hz時的 30分之一，而這自然也會影響開關(guān)電源的體積和重量。在 500kHz的頻率下，變電裝置的尺寸可以進一步縮小至原來的三分之一。這意味著，頻率有任何額外的增加，變電裝置的尺寸也只能有適度的縮小。

切換頻率對緩沖器和濾波器尺寸的影響

在開關(guān)電源中，電容器用于緩沖電流中斷時的電壓，平滑電流和電壓的殘余紋波，或過濾高頻干擾。這些電容器的尺寸也可以隨頻率呈線性縮小，從而導(dǎo)致開關(guān)電源的體積減小。但是，這不包括開關(guān)電源輸入端的緩沖電容器（無論是否進行功率因數(shù)校正），因為這些電容器必須在直流電（即 100Hz）下運行。這也是不能隨意減小開關(guān)電源尺寸的原因，除非省略了緩沖時間。

工作溫度和冷卻對開關(guān)電源尺寸的影響

經(jīng)常被人們忽略的一點是，如果功率輸出不受電流或功率限制，則開關(guān)電源的最大可傳輸功率主要取決于開關(guān)電源中允許的最高工作溫度和冷卻組件。制造商的聲明上經(jīng)常會夸大其詞，但如果不能提供預(yù)期的冷卻效果，可能會導(dǎo)致用戶方出現(xiàn)問題。因此，在選擇開關(guān)電源時，最好參考制造商提供的能效等級或功率損失。如果一家制造商允許組件的工作溫度明顯高于另一家更保守的制造商，則開關(guān)電源的額定功率可能會高出許多；然而，這會大大降低其永久運行期間的可靠性。總體上，如今的開關(guān)電源可以說在開關(guān)技術(shù)方面已實現(xiàn)最小化，任何進一步的體積減小只能通過散熱片或額外的空氣冷卻來實現(xiàn)。但額外的冷卻會增加成本，特別是空氣冷卻會產(chǎn)生噪音并可能帶來污染，因此，這種方法有待商榷。

能效等級對開關(guān)電源尺寸的影響

如上所述，通過提高切換頻率來進一步縮小開關(guān)電源尺寸的方法已經(jīng)寥寥無幾。而通過努力提高能效等級，降低自發(fā)熱水平來增加傳輸功率則是目前更有希望的方法。20 世紀(jì) 80年代，也就是開關(guān)電源面市初期，工業(yè)用開關(guān)電源的能效水平為 70%左右，到了 90年代，這一水平顯著增加至 80%以上。近十年來，開關(guān)電源的能效達到 90%已成為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

進一步提高開關(guān)電源能效等級的方法

目前，用于開關(guān)電源的變電裝置主要通過諧振開關(guān) FET提供輸入電壓。這些組件價格低廉，由于在零電壓或零電流點接通或關(guān)斷，它們的損耗率也非常低，因而非常適合 800瓦左右電源的需要。如今，100瓦以上開關(guān)電源的輸入端經(jīng)常使用升壓轉(zhuǎn)換器，其功率因數(shù)（超過 95%）明顯高于僅使用整流器時的功率因數(shù)。此電路組件中必須集成附加電感。為使其保持盡量小的體積，不能簡單地在無電流或無電壓狀態(tài)下接通或關(guān)斷關(guān)聯(lián)的高頻斷路器。對于這種情形，使用創(chuàng)新的極速切換半導(dǎo)體開關(guān)斷路器便非常適合。尤其是，這種開關(guān)元件使用了基于砷化鎵 (GaAs)或碳化硅 (SiC)材料的半導(dǎo)體。這些開關(guān)元件的傳輸頻率大約是傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體的十倍。這與接通和關(guān)斷時的傳輸過程（切換過程）顯著加快有關(guān)。與硅 MOSFETS相比，這些開關(guān)元件仍然非常昂貴，但它們的價格正在下降，這對開關(guān)電源的價格和性能的進一步發(fā)展有顯著影響。

當(dāng)前開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了確保開關(guān)電源的輸入端能夠獲得符合允許限值的高功率因數(shù)，性能在 100瓦以上的現(xiàn)代開關(guān)電源通常采用兩級設(shè)計。轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生預(yù)先調(diào)節(jié)的直流電，它采用調(diào)節(jié)方式可使該轉(zhuǎn)換器的輸入電流接近正弦。第二個轉(zhuǎn)換器通常設(shè)計為諧振轉(zhuǎn)換器，它將電壓轉(zhuǎn)換到較低的水平，并將輸入電壓與輸出電壓分離。進一步的發(fā)展開關(guān)電源將不斷縮小至更合適的尺寸，功率密度也將不斷增加，盡管無法再現(xiàn)過去 10至 20年間的發(fā)展速度。

與過去相比，限制因素更多在于以余熱形式釋放的功率損耗，隨著尺寸的不斷縮小，釋放的難度也將越來越大。

建議

建議用戶將開關(guān)電源的性能數(shù)據(jù)（特別是功率損耗信息）與聲明的設(shè)計數(shù)值進行關(guān)聯(lián)和比較。為了確保應(yīng)用的可靠性，對于明顯的差異，應(yīng)始終秉持質(zhì)疑態(tài)度并要求澄清。“小即美”的觀念只適用于運行過程中產(chǎn)生的功率損失也相對小的情況！