DC/DC變換器的發展與應用

1引言

直流-直流變換器(DC/DC)變換器廣泛應用于遠程及數據通訊、計算機、辦公自動化設備、工業儀器儀表、軍事、航天等領域，涉及到國民經濟的各行各業。按額定功率的大小來劃分，DC/DC可分為750W以上、750W～1W和1W以下3大類。進入20世紀90年代，DC/DC變換器在低功率范圍內的增長率大幅度提高，其中6W～25WDC/DC變換器的增長率最高，這是因為它們大量用于直流測量和測試設備、計算機顯示系統、計算機和軍事通訊系統。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展是必然的趨勢，所以251W～750W的DC/DC變換器的增長率也是較快的，這主要是它用于服務性的醫療和實驗設備、工業控制設備、遠程通訊設備、多路通信及發送設備，DC/DC變換器在遠程和數字通訊領

域有著廣闊的應用前景。

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,這種技術被廣泛應用于無軌電車、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、快速響應的性能,并同時收到節約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節約20%～30%的電能。直流斬波器不僅能起到調壓的作用(開關電源),同時還能起到有效抑制電網側諧波電流噪聲的作用。

DC/DC變換器現已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為0.31W/cm3～1.22W/cm3。隨著大規模集成電路的發展,要求電源模塊實現小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構。目前，已有一些公司研制生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。

電子產業的迅速發展極大地推動了開關電源的發展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代電子設備供電系統的主流。在電子設備領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將DC/DC變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網變換成標稱值為48V的直流電源。目前，在電子設備中用的一次電源中,傳統的相控式穩壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT實現高頻工作,開關頻率一般控制在50kHz～100kHz范圍內,實現高效率和小型化。近幾年,開關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準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因為電子設備容量的不斷增加,其電源容量也將不斷增加。

2電力電子器件

功率變換技術高速發展的基礎是電力電子器件和控制技術的高速發展，在21世紀，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2kA～3kA、電壓達到4kV～6kV，降低損耗是所有復合器件的發展目標。預計在21世紀IGBT、智能化功率模塊(IPM)等器件的導通電壓可降到1V以下，而MOSFET、IBGT、MCT等器件的應用頻率將達到兆赫數量級。

2.2智能化和集成化

智能化的發展是系統智能集成(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生的寄生參數已成為決定電力電子系統性能的關鍵，所以采用IPEM方法可減少設計工作量，便于生產自動化，提高系統質量、可靠性和可維護性，縮短設計周期，降低產品成本。

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;而前者是高電壓、大電流、多層多片集成，三維封裝，結構更復雜，多方向散熱，其熱設計也更加重要。IPEM研究課題中有待解決的基本問題是結構的確定和通用性，新型電力電子器件評估的主要方面是開關單元、拓撲結構、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，將寄生影響控制在最小范圍)、熱管理、IPEM設計軟件、接口與系統的兼容性、IPEM性能預測、可靠性冗余和容錯等都需要跨學科研究。因為與現代電力電子學相關的學科十分廣泛，包括基礎理論學科，如固體物理、電磁學、電路理論;專業理論學科如電力系統、電子學、系統與控制、電機學及電氣傳動、通信理論、信號處理、微電子技術;及電磁測量、計算機仿真、CAD等，覆蓋了材料、器件、電路與控制、磁學、熱設計、封裝、CAD集成、制造、電力電工應用等專業技術。就目前我國電力電子技術發展的現狀而言，迫切需要跨學科并運用多種專業技術進行聯合研究，以適應當今國際電力電子科技前沿技術的發展。

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,包括開關器件和與之串并聯的續流二極管,實質上都屬于標準功率模塊(SPM)。近年來,有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中構成IPM,不但縮小了整機的體積,而且更加方便了整機的設計與制造。實際上,由于頻率不斷提高,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力(表現為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統的可靠性,有些制造商開發了“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的引線連接,這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,產品性能優良。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的散熱器上,就構成一臺新型的開關電源裝置。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連線,把寄生參數值降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高了系統的可靠性。另外,大功率的開關電源,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工作,采用均流技術,所有模塊共同分擔負載電流,一旦其中某個模塊失效,其它模塊再平均分擔負載電流。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來說功率很小的冗余電源模塊,極大地提高了系統的可靠性,即使萬一出現單個模塊故障,也不會影響系統的正常工作,而且可提供充分的時間進行修復。

3新的DC/DC變換器技術

3.1VRM技術

就DC/DC變換器而言，由于現代微處理器和一些超高速大規模集成電路芯片，如Intel、Pentium、Pro等，要求在低電壓(2.4V～3.3V)、大電流(>13A)狀態下工作，而其直流母線電壓通常為5V～12V。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。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，要求VRM具有非常快速的負載電流響應，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響應，傳統的解決辦法是在VRM的輸出端并聯很多容量很大、等效串聯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，而現代微處理器對VRM的體積有著嚴格的要求。

2)退耦電容器僅能改善動態響應的影響階段，對后階段及總的動態響應時間沒有作用。