简述DC-DC开关电源小型化发展中的不足及其应对措施

来源:未知  发布时间:2013-09-08 20:26  Tags:DC-DC,小型化 
一、前言 人们希望直流电源象一个容量很大的原电池一样的干净,纹波和噪声极低,内阻极...

一、前言

人们希望直流电源象一个容量很大的原电池一样的干净,纹波和噪声极低,内阻极小。希望有很快的响应速度。是数十年来人们不断努力追求的第一个基本目标。
同时,提高电源的功率密度和效率,使之小型、轻量、高效;提高电源的功率输出特别是低压大电流输出,这也是数十年来人们不断努力追求的第二个基本目标。

在线性稳压电源和SCR相控电源的发展阶段,为了追求第一个基本目标我们取得了很大的成功。至今,制造纹波系数0.01%、电压调整率0.05%的直流电源并非难事。如果设计足够的开环增益与合理的开环频率特性,也可以达到很高的闭环响应速度。但是,它的体积很大,效率低,因而输出电流也不大。

为了实现第二个基本目标而出现的高频DC-DC开关电源技术,在电力电子技术的应用及各种电源系统中,均处于核心地位。它在功率密度和效率的提高,使之小型、轻量、高效和电流输出方面取得了极大的成功,但是,由于它逆变中的换向问题和各组成部分发展的不平衡,也留下了明显的不足与遗憾:超小型的模块或者功率芯片不可能达到很大的电流输出和高的纹波噪声抑制能力。换句话说,要求低压大电流输出和有很高的纹波噪声抑制能力的开关电源,就不可能有很高的功率密度。

本文将简要分析高频DC-DC开关电源在小型化过程中(第二个基本目标)的成功与不足,并提出改进与应对的措施。使得高功率密度、大输出电流、高的纹波噪声抑制能力的开关电源问世。

二、高频DC-DC开关电源在实现小型化、提高功率密度方面取得了巨大成就
在半个多世纪以前,其实人们就都知道了开关电源的原理:采取逆变的方法实现直流-交流-直流的转换。这样一来,就可以通过变压器、调频-调宽等方式来调节输出直流电压;可以通过提高工作频率来缩小变压器、电路中的储能元件电感滤波器、电容器的体积重量。这样的电源比线性稳压电源和SCR相控电源的效率和功率密度要高得多。

随着电子技术、半导体器件快速的发展,数十年来电源的高频化和软开关技术成为了国际电力电子界研究的主要热点之一。在很多方面开关电源逐步取代了线性稳压电源和SCR相控电源。开关电源高频化的理想开始实现,采用PWM控制技术的DC/DC变换器模块操作频率已经达到了从20kHz到400kHz 范围。同时,为了解决逆变中的换向带来的变换器开关功耗大、效率降低及噪声增加等问题,1997年,在已进行了将近三十年的世界范围的软开关基础理论研究之后,“第二代产品”以零电流开关(ZCS)、零电压开关(ZVS)软开关控制技术为基础,结合了控制集成、封装、铁氧体、噪声和散热技术等方面的最新科技成果,使功率密度达到了120-180W/in3,效率达到90%,操作频率接近1MHz。在过去的几年里还实现了完全的ZVS同步整流和开展集成电源模块的研究开发。使得高功率密度高频DC-DC开关电源产品达到了与“理想功率器件”极为接近的境地。出现了很多的电路拓扑。目前,甚至出现了工作频率是3MHz的1000W/in?的功率芯片,有了飞速的发展。

三、但是高功率密度高频DC-DC低压大电流输出能力及纹波噪声抑制能力受到限制
但是,我们也应当看到,在不断的提高工作频率、功率密度和效率的过程中,高功率密度高频DC-DC开关电源模块或者功率芯片,它将受到两个限制:它的低压大电流输出能力受到限制。在低压大电流输出时,它的纹波噪声抑制能力也受到限制。然而,正如前面已经指出的,在任何一种不追求高功率密度的低频开关电源,在这些方面却都没有不可克服的限制。

目前无论是高功率密度DC/DC模块,或者是分比式功率架构中的功率芯片,功率多数在数百瓦以内,最大输出电流在100A以下。而不追求高功率密度的开关电源,比如说工作频率在100-200KHz以下,功率密度为6-10W/in?左右的框架式整机开关电源产品。其输出功率可以达到数千瓦以上,输出电流可以很容易的达到数百安培,甚至更大。如果想制造输出电流几百安上千安、纹波系数0.05%—0.01%的这类直流电源,在实践上或者理论上都不会发生困难。这说明了什么呢?这说明了我们在不断的提高功率密度的过程中,自始至终存在着一个输出低压大电流能力的限制性因素。至于说通过模块的串并联来增加功率和电流,那是另一个问题。实际上也不可能完全通过串并联来解决,在n+1亢余系统中, 通过模块串并联组成的更大电流更大功率的电源,但是它的整机功率密度是远低于每一个模块的。单个电源模块的功率越大,整机功率密度就下降越多。

同样,如上面所述,线性稳压电源和SCR相控电源,或者不追求高功率密度的、输出数百安培的框架式整机开关电源,它的纹波噪声也能够很容易的达到0.2%-0.05%以下。但是,无论是高功率密度高频DC/DC模块,或者是分比式功率架构中的功率芯片,在它的最大输出电流80-100A时,它的纹波噪声甚至会达到5-10%以上。这说明了什么呢?这说明了我们在不断的提高输出大电流能力的过程中,高功率密度高频DC/DC模块和芯片自始至终存在着一个纹波和噪声水平的限制性因素。作为一个产品,外接电容实际上并不那么容易解决问题,输出电流愈大愈是如此。

所以,尽管高功率密度高频DC/DC或者是分比式功率架构中的功率芯片的功率密度和效率是如此的高,但是,它是以牺牲某些性能为代价的。因此,它目前还无法完全取代那些体积较大、效率较低的线性稳压电源或者较低工作频率的开关电源。

四、简析产生这两种限制的原因

在这篇文章中,我将首先针对高功率密度高频DC/DC电源在发展的过程中所出现的上述不足或缺陷,简单的分析它产生的原因,对其中的某些问题提出建设性的意见,如果有必要,将在后续的文章中,详细的论述它。

它的低压大电流输出能力受到限制的主要原因是:

首先,采取逆变的方法实现直流-交流-直流转换的开关电源,逆变换向问题是它的原理性的缺陷,这和直流电动机的换向在理论上是一样的。如果有一天,我们发明了一种新的DC/DC的变换方式,它没有逆变换向问题,那么,这类原理性的缺陷就没有了。在现今,尽管我们可以在一定程度上克服它,但是要想彻底解决原理性的缺陷所带来的限制性的因素是不可能的。这个缺陷必然限制DC/DC变换器输出电流能力和功率密度的进一步提高,以现在的情况而论,高功率密度高频DC/DC模块产品,或者是分比式功率架构中的功率芯片,在如此高的功率密度下,它们可能没有了多少有价值的发展可能性。当然,我们还可以进一步的研究这个可能性还有多少,。在以后的文章中,我还准备更详细的论述对这个问题的估计。

其次,鉴于上述的原因,如果还要进一步提高大电流输出的能力,将使电磁环境更加恶化,纹波和噪声增大,而在如此狭小的空间内,已经没有空间来安装合适的滤波器,为了维持最基本的直流输出质量,制造商要么降低功率密度,要么降低电流输出。这个问题以后还要论述。

第三,在我们所处的“微电子技术”时代,常温超导材料的问题可能在相当长的时间内无法解决。

在低压大电流输出时,它的纹波和噪声抑制能力受到限制的主要原因是:
在DC/DC的变换方式中,逆变换向是需要时间的,输出电流越大需要时间越多。这是高功率密度高频DC/DC模块,或者是分比式功率架构中的功率芯片,在低压大电流输出时,纹波较大的根源。换句话说,如果换向不需要时间的话,那么DC/DC变换器的输出电压波形在理论上将是一条平滑的直线,没有纹波和噪声。我们知道,在任何一种DC/DC变换器中,都实际存在着基频为两倍工作频率的,由换向所造成的纹波和噪声。尤其是对于大电流的换向,无论是零电压,零电流开关,或者说是任何一种其它的电路拓扑结构,都不能消除这类原理性的倍频纹波和噪声。输出电流越大纹波噪声也越大,唯有寄希望于滤波。

但是,在低压大电流输出时,负载电阻极低,接近于短路,唯有采用电感性滤波器才能有效地清除纹波,采用并联电容滤波效果是不明显的。电感性滤波器是一个储能元件,它的体积与通过它的电流(输出电流)的平方成正比例,因此,制造纹波系数极低的大电流输出开关电源时,它所需要的大电感量的滤波器将有很大的体积,此时它将比功率变压器大得多。它无法安装在功率密度极高的高频DC/DC模块,或者是功率芯片中,这是在低压大电流输出时,它的纹波和噪声的抑制能力受到限制的最主要的原因。换句话说,欲制造输出电流极大、纹波系数极低的开关电源,就不可能有极高的功率密度,相反,欲制造功率密度极大的高频DC/DC模块或功率芯片,就不可能有极低的纹波系数。在分比式功率架构的功率芯片与高功率密度高频DC/DC模块中,由于体积限制的原因,无法安装足够的电感滤波器,或者没有考虑到电感性滤波,所以它无法达到很低的纹波系数。

综合上面的论述,我认为,在DC-DC开关电源小型化的发展道路上,逆变换向问题是一个原理性的缺陷,它是高功率密度高频DC/DC开关电源,或者是分比式功率架构中的功率芯片的输出大电流能力受到限制,不太可能再有阶跃性的大发展的主要原因。而电感性滤波器小型化发展的缓慢,是它的纹波噪声抑制能力受到限制的主要原因。换句话说,电源各个组成部分元器件的发展是不平衡的。如功率开关、功率二极管、变压器、控制集成电路等发展很快,但是,储能元器件如电容器、电感器等的发展就较慢。所以,也可以这样说,这种发展的不平衡,才是DC-DC开关电源小型化发展中,功率密度与纹波噪声抑制能力发展不平衡的最终原因。单纯的采用提高频率的方法是不可能解决全部问题的。

如果我们对高功率密度高频DC-DC开关电源的这些问题能够提出满意的解决方案:它不仅功率密度和效率极高,大电流输出能力也强。而且在任何负载下,输出电压的质量也极高,纹波噪声极低。那么,人们希望直流电源达到的两个基本目标才有可能得以全面的实现。只有这样,才能使高频电源模块或者功率芯片,完全取代那些体积较大、效率较低的DC-DC开关电源。

五、改进与应对的措施

由于开关电源存在着“换向问题”这类原理性的限制,以及我们所处的“微电子技术”这个时代性的限制,当功率密度和频率高到一定程度的时候,损耗将是不能容忍的。因此,以功率密度为120-180W/in3的软开关高频DC/DC模块以及功率密度为1000W/in3,开关频率为3.5兆周的功率芯片,它们的最大输出电流80-100A,不大可能再有大幅度的提高。换句话说,BCM、VTM可能已接近我们这个发展阶段最后的成果。

但是,在目前的技术条件下,我们还有潜力来大幅度提高上述模块和芯片的纹波噪声抑制能力。我们是否可以这样认为,在电源最基本的指标方面,一个具有这样指标的高频DC-DC模块或者功率芯片,也许是我们这个发展阶段最后的成果:它们具有180-1000W/in3的功率密度,100A以上的输出电流与数百瓦-1千瓦的功率。同时,在所有负载下,都具有0.1-0.05%以下的纹波系数。并且,根据需要,基本上不用任何的外接元器件,通过串并联、反馈即可组成任何输出电压、电流和功率、各种规格、用途与指标的电源。

实现这个发展阶段最后的成果,取决于电源的各个组成部分都得到平衡的发展,取决于大电流电感滤波器小型化的可能性。比如说,一个具有极高的电感/体积比 L/V的大电流输出电感性滤波器NIF连接于100A功率芯片VTM的输出端,它的电感L足以使VTM的纹波系数在全负载内均低于0.1-0.05%,而体积仅相当于VTM中的3.5MHz功率变压器。那么,安置了这种NIF的功率芯片不仅有极高的功率密度,而且有极低的纹波系数。

但是,从电源的发展史中我们也知道,对输出滤波器的研究,特别是大电流的电感性滤波器的小型化的研究是十分不够的:传统的电感性滤波器是不能满足要求的,它的体积很大,电感/体积比 L/V极低。在数十年前就已经确立的电源技术理论的数学物理模型告诉我们,在大电流输出的情况下,输出电感滤波器的体积在电源中占有最大的部分,输出电流越大占有的体积比率也越大, L/V也越低。如果我们能在这方面取得突破性进展,在基本理论方面有新的研究成果,运用于高功率密度的电源产品中。那么,我们就有可能在功率密度、大电流输出、很低的纹波系数等方面都获得令人满意的指标。

鉴于上面的理由,本人十分有兴趣的致力于大电流输出的电感性滤波器小型化的研究,并取得实效。本文将向大家宣告一种具有极高的电感/体积比 L/V的大电流输出电感性滤波器NIF的问世,它将使上述问题得到满意的解决。关于NIF比较详细的情况,在以后的文章中我还要论述它。

六、一种具有极高的电感/体积比 L/V的大电流输出电感性滤波器NIF
我们知道,传统的电感性滤波器是一个储能元件,它的体积将与它的输出电流的平方成正比,即V=kI2,也就是说,它的体积与它储存的能量成正比。这与功率变压器有着本质的区别。比如说,足以使100A功率芯片VTM的纹波系数低于0.1-0.05%的输出电感性滤波器的体积将比VTM中的3.5MHz,100A功率变压器的体积要大得多。
我们能不能企图去改变电感性滤波器这类元器件本身的电学物理学特性,使它能够很容易的达到电源系统对它的体积的限制呢?

我们经过数年的研究,开发出一种新型的大电流输出电感性滤波器NIF。它不同的有区别的特征是:NIF不是一个储能元件,这是最主要最本质的改变。因而,它的体积不是与输出电流的平方成正比,而只是与输出电流成正比,即V=kI。这也就是说,在电感量L和额定输出电流I都相同的条件下,NIF与传统的输出电感性滤波器的体积之比是和输出电流成反比。即:
(Vn/V)= h(1/I)﹤﹤1
其中:Vn、V、h、I 分别为 NIF体积,传统输出电感滤波器的体积,比例系数,输出电流。两者的电感量,工作频率,额定输出电流都相同。
这就是说, 与传统的输出电感性滤波器相比, NIF的体积将大为缩小了。而且电流越大,缩小得也越多。

NIF的体积与工作频率成反比,与电感量L和输出电流I成正比,因而具有极高的电感/体积比 L/V。这种优质的特性是归功于一种新颖的思路和独特设计方法,比如说,一个适合于3.5MHz工作频率, 输出电流100A的NIF, 它的电感足以使100A VTM功率芯片的输出纹波系数小于0.1%—0.05%,但它的体积只相当于这个功率芯片VTM中的功率变压器的体积。如果我们把它集成在VTM内,因为它非常的小,不至于太多的降低功率芯片的功率密度。

NIF的极高的电感/体积比 L/V,使电源的各个组成部分得到了平衡的发展,将使高功率密度高频DC/DC开关电源模块,或者功率芯片,在所有的负载情况下,都能达到很低的纹波系数。从而使数十年来开关电源不断努力追求的两个基本目标得以实现。

还需要着重提及的是,由于NIF不是一个储能元件,因此它不是提高响应速度的限制性因素,这也是NIF无与伦比的优越性之一。

七、关于响应速度

最后,有必要对电源的纹波系数指标和响应速度的关系加以分析,我们知道,一个控制系统的动态指标和静态指标之间是有矛盾的。比如说,一个理想的感应分压器(变压器)或者电阻分压器,它们的响应速度是极快极快的。但是,它们的谐波抑制能力等于零。同样的,功率芯片VTM中的变压器,接近于理想变压器,因此有很快的响应速度,但是,它们的纹波抑制能力则是不强的。至于是主要满足静态指标还是动态指标,这要根据使用者的需要来综合考虑确定。比如说,先根据要求设计滤波器以达到100A输出时纹波系数小于0.05%,这时响应速度可能不够,我们则可采用合适的闭环控制,如果控制系统具有足够的开环增益与合理的开环频率特性函数,一般来说也可以达到预定的闭环响应速度。

八、对开关电源发展的展望

在高频化方面:频率的提高肯定是有极限的。基本的电路理论告诉我们:一个周期的时间应当比一个开关的动作时间长得多,否则过渡过程的处理就会越来越困难,而一个开关能量的释放,电路中的储能元件能量(或电荷)的转移都是需要时间的,能量越大需要的时间就越长。另外还存在着高频工作受寄生参数的影响越来越大、控制电路越来越复杂等更多的难题。能量是不能突变的,我们无法‘制造永动机’。

在小型化方面:以功率密度为120-180W/in3的软开关高频DC/DC模块仍然是当今世界模块电源最佳的主流产品。新出现的分比式功率架构中的功率芯片,其功率密度甚至达到了1000W/in3,3.5MHz。它的工作频率再一次的提高比从20KHz提高到数百KHz要困难得多。这似乎在说明,在现在微电子技术的条件下,或者已经接近到频率使用的极限。如果超出了这个范围,电源制造的难度将显着加大,是否合理可能发生问题。另外,由于直流电源系统内部各部分技术的发展存在不均衡性,其中发展最快的是整流器技术,而配电技术则相对发展缓慢。以通信电源系统为例,一次电源的核心部件整流器的功率密度不断提高,推动了通信直流电源整机的功率密度不断提高,但由于配电器件、蓄电池等密度基本维持稳定,这也一定程度制约了整机系统的功率密度的提高比率。

在元器件、控制技术和制造工艺、集成技术等等其它方面:在现在电子技术的条件下,除了还没有发现新的物质特性,如常温超导等物质特性外,我们已经成功的解决了很多的问题:如功率半导体器件、高频磁元件的材料、功率变压器、新型电容电感、谐振技术与软开关、同步整流技术、分布电源结构、PFC变换器、全数字化控制、电磁兼容性、设计和测试技术、控制系统的集成化等等。

据此,有的学者认为:按照“创造性解决问题的理论”,这个描述技术系统发展进化规律的理论,一般而言,技术的生命周期包含四个阶段:婴儿期、成长期、成熟期和衰退期,种种迹象表明,目前直流电源的核心技术--开关电源技术基本上开始步入成熟期:效率的提升变得缓慢和困难、而电源损耗不能大幅度降低限制了功率密度的进一步提高,……未来几年甚至十几年内,直流电源产品将进入一个缓慢发展的阶段,直至有一天,一种新的电源变换技术出现,直流电源产品就会再出现一个阶跃性的发展,就象开关稳压技术替代线性稳压技术,给电源带来了革命性的变化。

我认为,这个推断大致是正确的。但是,在这种新的电源变换技术出现之前,我们还能够作些什么呢?

现在电源制造的标准与规格是五花八门的,这是技术落后时代的产物,不利于技术的进步,也不利于用户的使用。在电源技术步入成熟的今天,我们应当力求使电源的制造标准统一于一种先进的模式。

我十分欣赏和赞成分比式功率架构这种灵活的电源组成结构,根据这种芯片化的思想,我们可以按照组成电源的各个功能部件,全部制成相应的功能(功率)芯片,这样一来,我们就可以根据需要,基本上不用任何的外接元器件,通过串并联、反馈即可组成任何输出电压、电流和功率、各种规格与指标的电源。

这些功能(功率)芯片是组成电源最基本的单元,它们应该有最优秀的品质,不用任何的外接元器件。芯片的制造标准化,并有各种规格。

这也许是我们这个发展阶段最好的选择。

上面的文章仅仅是提出了问题,在以后的文章中,本人将对必须涉及的,更多的具体问题,全面详细的展开讨论与评估,并力图提出解决这些问题的思想和方法。同时也欢迎电源业界的同行们,参与我们的讨论和评议。