开关电源的发展及技术趋势

2019-11-29方奕广

商品与质量 2019年22期

方奕广

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开关电源有着体积小、重量轻的优势，所以正在逐渐取代传统的线性稳压电源。并且随着电子设备的大量使用，开关电源和日常生活的关系正在越来越密切。

1 开关电源的理论

开关电源是日产生活中比较常见的一种技术，针对不同的需要也会有不同的类型。通常开关电源可以分为变换电能的电源和发出电能的电源两种。由于人类并不能直接使用自然界的能源，这就需要对自然界的能源进行转换，才能够得到电能，所以，电源可以将能源转换成可以利用的电能的装置。在得到电能之后，电能依然并不会不被直接利用，为此就需要进行变压等转换，达到电器所需的电压、电流范围之内，才能真正被直接利用。开关电源主要负责电能的变换，在电流进入电源之后，经过整流和滤波，就能够实现对电能的转化，让电能变成高压、低压、交流、直流等模式，方便人们直接对电力的使用。

2 开关电源的发展过程和现状

开关电源从二十世纪70年代开始发展，当时电力电子理论确立，给电源研究提供了良好的理论基础。但是最初，开关电源的应用效率很低，因为开关的效率都在20kHz以下，功率密度不高，而且使用中没有足够的可靠性。所以，开关电源在发展过程中，最开始都是针对上述缺点来进行完善。随着绝缘栅晶体管等高频大功率的器材开始使用，就让开关电源的使用得到了普及。随着技术水平的提升，电源技术也变得更加可靠和稳定，生产工艺的提升也控制了电源的成本，在经济上也满足了市场的按要求[1]。

2.1 软开关和硬开关的结合

由于技术的原因，很多传统的电器都会采用硬开关的技术，但是随着软开关的逐渐成熟，很多电器也大量使用了软开关这项技术，让软开关有了越来越广泛的使用。软开关的好处在于，相比硬开关并不会造成任何电损，所以能够最大程度地节约电能。但是，目前软开关的技术和硬开关的技术是相互渗透的，并没有软开关取代硬开关的情况，很多时候都是通过两种技术相结合，以便能够充分地发挥出开关的性能。在进行电气产品的设计中，一般都会考虑功耗、效率等方面的需求，所以需要发挥软开关在功耗上的优势，但是也需要利用硬开关来保证滤波等特殊需要。

2.2 开关电源技术朝着小型化发展

为了能够促进开关电源的使用，目前开关电源正在变得小型化。很多用户也更加倾向于使用那些体积比较小，便于携带的开关电源。目前的电源生产技术也在朝着这样的产品发展，并且从理论上来说，电容、变压器的体积和电感是呈反比的，意味着开关电源的小体积会有更好的性能。同时，更小的体积也意味着能够节省材料，从而提高经济效益[2]。

3 开关电源技术的发展趋势

3.1 朝着数字化的方向发展

目前开关电源发展的一个重要趋势就是数字化，传统的电子技术当中，电源都是根据模拟信号来工作的，但是随着数字信号的成熟，数字信号在工作上的优势也逐渐体现了出来。首先，数字信号比较适合计算机进行处理，而且也能够避免信号在远程传播之后出现畸变导致信号失真，这样就能够减少外部因素对信号的干扰。

当前很多开关电源的电流反馈对负载的变化比较灵敏，在PWM控制范围小于50%时会有很强的稳定性，所以输出的电压并不会十分精确，如果实际工作当中存在PWM斜坡电压，导致最终的电压特性不良。利用电压反馈控制的电源线路输出就会比较精确，但是环路也会比较容易产生振荡，在负载特定不确定的情况下，会造成电压的调试比较困难。开关电源的反馈控制环路再过去都是采用模拟控制的方式，如果采用数字控制，就可以很大程度上改善问题[3]。

数字元件的特点在于本身并不存在离散的问题，所以谐振元件存在离散性，也能够利用数字控制的方式进行主动的调整。使用数字化控制时，会采用和传统开关电源相似的拓扑结构，并且利用采样误差来进行控制，使用数字技术来实现对PWM调制信号的计算、生成和接收，以便对于整个电路进行控制。目前，智能技术也被使用到了开关电源当中，而利用智能化技术，能够更好的解决环路的稳定性，提高环路的抗干扰能力，实现对环路的远程控制。

3.2 高频化

电力电子技术是节能、自动化和智能化结合的技术，为了满足更多的使用要求，目前也在朝着高频化、硬件结构模块化的方向发展。由于开关电源的重量、体积一定程度上取决于储能元件和电容的性能，所以为了实现开关电源的小型化，就需要减小储能元件的体积。为此，就需要提高开关频率，这样就能减小电容、电感和变压器的尺寸，并且也能提升开关电源的抗干扰能力，提升电源的性能[4]。

新型的电源都采用了全新的拓扑结构和技术，这样功率器件开关工作时处于零电压和零电流额的状态，保证功率的提升。移相控制全桥PWM零电压谐振软开关目前是研究的热点，这项技术推动了高频率开关电源的使用。

3.3 模块化的发展趋势

为了促进开关电源的发展，目前开关电源正朝着模块化的方向发展，所以很多目前常见的元器件都有着比较统一的模块单元类型，二极管也都有着标准的模块。在拓展开关电源的功能时，就可以安装具备相关功能的模块，就能够实现开关电源在功能上的拓展[5]。为了促进电力电子元器件系统的可靠性，有些企业会在开关电源当中加入专项功率模块，这些模块往往都会根据用户的实际需要专门进行元器件的定制，经过科学的设计之后，就能够获得比较完美的效果。