摘要

本文將簡要分析高頻DC-DC開關電源在小型化過程中（第二個基本目標）的成功與不足，并提出改進與應對的措施。使得高功率密度、大電流輸出、高的紋波噪聲抑制能力的開關電源問世。

在電源最基本的指標方面，一個具有這樣指標的高頻DC-DC模塊或者功率芯片，也許是我們這個發(fā)展階段最后的成果：它們具有180-1000W/in3的功率密度，100A以上的輸出電流與數百瓦-1千瓦的功率，同時，在所有負載下，都具有0.1-0.05%以下的紋波系數。并且，根據要，基本上不用任何的外接元器件，通過串并聯(lián)、反饋即可組成任何輸出電壓、電流和功率、各種規(guī)格、用途與指標的電源。

一個具有極高的電感/體積比L/V的大電流輸出電感性濾波器NIF連接于100A功率芯片VTM的輸出端，它的電感L足以使VTM的紋波系數在全負載內均低于0.1-0.05%，而體積僅相當于VTM中的3.5MHz功率變壓器。而且，由于NIF不是一個儲能元件，因此它不是提高響應速度的限制性因素。

目錄

·前言

·高頻DC-DC開關電源在實現(xiàn)小型化、提高功率密度方面取得了巨大成就

·但高功率密度高頻DC-DC低壓大電流輸出能力及紋波噪聲抑制能力受到限制

·簡析出現(xiàn)這兩種限制的原因

·改進與應對的措施

·一種具有極高的電感/體積比L/V的大電流輸出電感性濾波器NIF

·有關響應速度

·對開關電源發(fā)展的展望

一、前言

人們希望直流電源象一個容量很大的原電池相同的干凈，紋波和噪聲極低，內阻極小。希望有很快的響應速度。是數十年來人們不斷努力追求的第一個基本目標。

同時，提高電源的功率密度和效率，使之小型、輕量、高效；提高電源的功率輸出特別是低壓大電流輸出，這也是數十年來人們不斷努力追求的第二個基本目標。

在線性穩(wěn)壓電源和SCR相控電源的發(fā)展階段，為了追求第一個基本目標我們取得了很大的成功。至今，制造紋波系數0.01%、電壓調整率0.05%的直流電源并非難事。假如設計足夠的開環(huán)增益與合理的開環(huán)頻率特性，也可以達到很高的閉環(huán)響應速度。但是，它的體積很大，效率低，因而輸出電流也不大。

為了實現(xiàn)第二個基本目標而出現(xiàn)的高頻DC-DC開關電源技術，在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)中，均處于核心地位。它在功率密度和效率的提高，使之小型、輕量、高效和電流輸出方面取得了極大的成功，但是，由于它逆變中的換向問題和各組成部分發(fā)展的不平衡，也留下了明顯的不足與遺憾：超小型的模塊或者功率芯片不可能達到很大的電流輸出和高的紋波噪聲抑制能力。換句話說，要求低壓大電流輸出和有很高的紋波噪聲抑制能力的開關電源，就不可能有很高的功率密度。

本文將簡要分析高頻DC-DC開關電源在小型化過程中（第二個基本目標）的成功與不足，并提出改進與應對的措施。使得高功率密度、大輸出電流、高的紋波噪聲抑制能力的開關電源問世。

二、高頻DC-DC開關電源在實現(xiàn)小型化、提高功率密度方面取得了巨大成就

在半個多世紀以前，其實人們就都了解了開關電源的原理：采取逆變的方法實現(xiàn)直流-交流-直流的轉換。這樣一來，就可以通過變壓器、調頻-調寬等方式來調節(jié)輸出直流電壓；可以通過提高工作頻率來縮小變壓器、電路中的儲能元件電感濾波器、電容器的體積重量。這樣的電源比線性穩(wěn)壓電源和SCR相控電源的效率和功率密度要高得多。

隨著電子技術、半導體器件快速的發(fā)展，數十年來電源的高頻化和軟開關技術成為了國際電力電子界研究的重要熱點之一。在很多方面開關電源逐步取代了線性穩(wěn)壓電源和SCR相控電源。開關電源高頻化的理想開始實現(xiàn)，采用pWM控制技術的DC/DC變換器模塊操作頻率已經達到了從20kHz到400kHz范圍。同時，為了解決逆變中的換向帶來的變換器開關功耗大、效率降低及噪聲新增等問題，1997年，在已進行了將近三十年的世界范圍的軟開關基礎理論研究之后，“第二代產品”以零電流開關（ZCS）、零電壓開關（ZVS）軟開關控制技術為基礎，結合了控制集成、封裝、鐵氧體、噪聲和散熱技術等方面的最新科技成果，使功率密度達到了120-180W/in3，效率達到90%，操作頻率接近1MHz。在過去的幾年里還實現(xiàn)了完全的ZVS同步整流和開展集成電源模塊的研究開發(fā)。使得高功率密度高頻DC-DC開關電源產品達到了與“理想功率器件”極為接近的境地。出現(xiàn)了很多的電路拓撲。目前，甚至出現(xiàn)了工作頻率是3MHz的1000W/in?的功率芯片，有了飛速的發(fā)展。

三、但是高功率密度高頻DC-DC低壓大電流輸出能力及紋波噪聲抑制能力受到限制

但是，我們也應當看到，在不斷的提高工作頻率、功率密度和效率的過程中，高功率密度高頻DC-DC開關電源模塊或者功率芯片，它將受到兩個限制：它的低壓大電流輸出能力受到限制。在低壓大電流輸出時，它的紋波噪聲抑制能力也受到限制。然而，正如前面已經指出的，在任何一種不追求高功率密度的低頻開關電源，在這些方面卻都沒有不可克服的限制。

目前無論是高功率密度DC/DC模塊，或者是分比式功率架構中的功率芯片，功率多數在數百瓦以內，最大輸出電流在100A以下。而不追求高功率密度的開關電源，比如說工作頻率在100-200KHz以下，功率密度為6-10W/in?左右的框架式整機開關電源產品。其輸出功率可以達到數千瓦以上，輸出電流可以很容易的達到數百安培，甚至更大。假如想制造輸出電流幾百安上千安、紋波系數0.05%—0.01%的這類直流電源，在實踐上或者理論上都不會發(fā)生困難。這說明了什么呢？這說明了我們在不斷的提高功率密度的過程中，自始至終存在著一個輸出低壓大電流能力的限制性因素。至于說通過模塊的串并聯(lián)來新增功率和電流，那是另一個問題。實際上也不可能完全通過串并聯(lián)來解決，在n+1亢余系統(tǒng)中，通過模塊串并聯(lián)組成的更大電流更大功率的電源，但是它的整機功率密度是遠低于每一個模塊的。單個電源模塊的功率越大，整機功率密度就下降越多。

同樣，如上面所述，線性穩(wěn)壓電源和SCR相控電源，或者不追求高功率密度的、輸出數百安培的框架式整機開關電源，它的紋波噪聲也能夠很容易的達到0.2%-0.05%以下。但是，無論是高功率密度高頻DC/DC模塊，或者是分比式功率架構中的功率芯片，在它的最大輸出電流80-100A時，它的紋波噪聲甚至會達到5-10%以上。這說明了什么呢？這說明了我們在不斷的提高輸出大電流能力的過程中，高功率密度高頻DC/DC模塊和芯片自始至終存在著一個紋波和噪聲水平的限制性因素。作為一個產品，外接電容實際上并不那么容易解決問題，輸出電流愈大愈是如此。

所以，盡管高功率密度高頻DC/DC或者是分比式功率架構中的功率芯片的功率密度和效率是如此的高，但是，它是以犧牲某些性能為代價的。因此，它目前還無法完全取代那些體積較大、效率較低的線性穩(wěn)壓電源或者較低工作頻率的開關電源。

四、簡析出現(xiàn)這兩種限制的原因

在這篇文章中，我將首先針對高功率密度高頻DC/DC電源在發(fā)展的過程中所出現(xiàn)的上述不足或缺陷，簡單的分析它出現(xiàn)的原因，對其中的某些問題提出建設性的意見，假如有必要，將在后續(xù)的文章中，詳細的論述它。

它的低壓大電流輸出能力受到限制的重要原因是：

首先，采取逆變的方法實現(xiàn)直流-交流-直流轉換的開關電源，逆變換向問題是它的原理性的缺陷，這和直流電動機的換向在理論上是相同的。假如有一天，我們發(fā)明了一種新的DC/DC的變換方式，它沒有逆變換向問題，那么，這類原理性的缺陷就沒有了。在現(xiàn)今，盡管我們可以在一定程度上克服它，但是要想徹底解決原理性的缺陷所帶來的限制性的因素是不可能的。這個缺陷必然限制DC/DC變換器輸出電流能力和功率密度的進一步提高，以現(xiàn)在的情況而論，高功率密度高頻DC/DC模塊產品，或者是分比式功率架構中的功率芯片，在如此高的功率密度下，它們可能沒有了多少有價值的發(fā)展可能性。當然，我們還可以進一步的研究這個可能性還有多少，。在以后的文章中，我還準備更詳細的論述對這個問題的估計。

其次，鑒于上述的原因，假如還要進一步提高大電流輸出的能力，將使電磁環(huán)境更加惡化，紋波和噪聲增大，而在如此狹小的空間內，已經沒有空間來安裝合適的濾波器，為了維持最基本的直流輸出質量，制造商要么降低功率密度，要么降低電流輸出。這個問題以后還要論述。

第三，在我們所處的“微電子技術”時代，常溫超導材料的問題可能在相當長的時間內無法解決。

在低壓大電流輸出時，它的紋波和噪聲抑制能力受到限制的重要原因是：

在DC/DC的變換方式中，逆變換向是要時間的，輸出電流越大要時間越多。這是高功率密度高頻DC/DC模塊，或者是分比式功率架構中的功率芯片，在低壓大電流輸出時，紋波較大的根源。換句話說，假如換向不要時間的話，那么DC/DC變換器的輸出電壓波形在理論上將是一條平滑的直線，沒有紋波和噪聲。我們了解，在任何一種DC/DC變換器中，都實際存在著基頻為兩倍工作頻率的，由換向所造成的紋波和噪聲。尤其是關于大電流的換向，無論是零電壓，零電流開關，或者說是任何一種其它的電路拓撲結構，都不能消除這類原理性的倍頻紋波和噪聲。輸出電流越大紋波噪聲也越大，唯有寄希望于濾波。

但是，在低壓大電流輸出時，負載電阻極低，接近于短路，唯有采用電感性濾波器才能有效地清除紋波，采用并聯(lián)電容濾波效果是不明顯的。電感性濾波器是一個儲能元件，它的體積與通過它的電流（輸出電流）的平方成正比例，因此，制造紋波系數極低的大電流輸出開關電源時，它所要的大電感量的濾波器將有很大的體積，此時它將比功率變壓器大得多。它無法安裝在功率密度極高的高頻DC/DC模塊，或者是功率芯片中，這是在低壓大電流輸出時，它的紋波和噪聲的抑制能力受到限制的最重要的原因。換句話說，欲制造輸出電流極大、紋波系數極低的開關電源，就不可能有極高的功率密度，相反，欲制造功率密度極大的高頻DC/DC模塊或功率芯片，就不可能有極低的紋波系數。在分比式功率架構的功率芯片與高功率密度高頻DC/DC模塊中，由于體積限制的原因，無法安裝足夠的電感濾波器，或者沒有考慮到電感性濾波，所以它無法達到很低的紋波系數。

綜合上面的論述，我認為，在DC-DC開關電源小型化的發(fā)展道路上，逆變換向問題是一個原理性的缺陷，它是高功率密度高頻DC/DC開關電源，或者是分比式功率架構中的功率芯片的輸出大電流能力受到限制，不太可能再有階躍性的大發(fā)展的重要原因。而電感性濾波器小型化發(fā)展的緩慢，是它的紋波噪聲抑制能力受到限制的重要原因。換句話說，電源各個組成部分元器件的發(fā)展是不平衡的。如功率開關、功率二極管、變壓器、控制集成電路等發(fā)展很快，但是，儲能元器件如電容器、電感器等的發(fā)展就較慢。所以，也可以這樣說，這種發(fā)展的不平衡，才是DC-DC開關電源小型化發(fā)展中，功率密度與紋波噪聲抑制能力發(fā)展不平衡的最終原因。單純的采用提高頻率的方法是不可能解決全部問題的。

假如我們對高功率密度高頻DC-DC開關電源的這些問題能夠提出滿意的解決方法：它不僅功率密度和效率極高，大電流輸出能力也強。而且在任何負載下，輸出電壓的質量也極高，紋波噪聲極低。那么，人們希望直流電源達到的兩個基本目標才有可能得以全面的實現(xiàn)。只有這樣，才能使高頻電源模塊或者功率芯片，完全取代那些體積較大、效率較低的DC-DC開關電源。

五、改進與應對的措施

由于開關電源存在著“換向問題”這類原理性的限制，以及我們所處的“微電子技術”這個時代性的限制，當功率密度和頻率高到一定程度的時候，損耗將是不能容忍的。因此，以功率密度為120-180W/in3的軟開關高頻DC/DC模塊以及功率密度為1000W/in3，開關頻率為3.5兆周的功率芯片，它們的最大輸出電流80-100A，不大可能再有大幅度的提高。換句話說，BCM、VTM可能已接近我們這個發(fā)展階段最后的成果。

但是，在目前的技術條件下，我們還有潛力來大幅度提高上述模塊和芯片的紋波噪聲抑制能力。我們是否可以這樣認為，在電源最基本的指標方面，一個具有這樣指標的高頻DC-DC模塊或者功率芯片，也許是我們這個發(fā)展階段最后的成果：它們具有180-1000W/in3的功率密度，100A以上的輸出電流與數百瓦-1千瓦的功率。同時，在所有負載下，都具有0.1-0.05%以下的紋波系數。并且，根據要，基本上不用任何的外接元器件，通過串并聯(lián)、反饋即可組成任何輸出電壓、電流和功率、各種規(guī)格、用途與指標的電源。

實現(xiàn)這個發(fā)展階段最后的成果，取決于電源的各個組成部分都得到平衡的發(fā)展，取決于大電流電感濾波器小型化的可能性。比如說，一個具有極高的電感/體積比L/V的大電流輸出電感性濾波器NIF連接于100A功率芯片VTM的輸出端，它的電感L足以使VTM的紋波系數在全負載內均低于0.1-0.05%，而體積僅相當于VTM中的3.5MHz功率變壓器。那么，安置了這種NIF的功率芯片不僅有極高的功率密度，而且有極低的紋波系數。

但是，從電源的發(fā)展史中我們也了解，對輸出濾波器的研究，特別是大電流的電感性濾波器的小型化的研究是十分不夠的：傳統(tǒng)的電感性濾波器是不能滿足要求的，它的體積很大，電感/體積比L/V極低。在數十年前就已經確立的電源技術理論的數學物理模型告訴我們，在大電流輸出的情況下，輸出電感濾波器的體積在電源中占有最大的部分，輸出電流越大占有的體積比率也越大，L/V也越低。假如我們能在這方面取得突破性進展，在基本理論方面有新的研究成果，運用于高功率密度的電源產品中。那么，我們就有可能在功率密度、大電流輸出、很低的紋波系數等方面都獲得令人滿意的指標。

鑒于上面的理由，本人十分有興趣的致力于大電流輸出的電感性濾波器小型化的研究，并取得實效。本文將向大家宣告一種具有極高的電感/體積比L/V的大電流輸出電感性濾波器NIF的問世，它將使上述問題得到滿意的解決。有關NIF比較詳細的情況，在以后的文章中我還要論述它。

六、一種具有極高的電感/體積比L/V的大電流輸出電感性濾波器NIF

我們了解，傳統(tǒng)的電感性濾波器是一個儲能元件，它的體積將與它的輸出電流的平方成正比，即V=kI2，也就是說，它的體積與它儲存的能量成正比。這與功率變壓器有著本質的差別。比如說，足以使100A功率芯片VTM的紋波系數低于0.1-0.05%的輸出電感性濾波器的體積將比VTM中的3.5MHz,100A功率變壓器的體積要大得多。

我們能不能企圖去改變電感性濾波器這類元器件本身的電學物理學特性，使它能夠很容易的達到電源系統(tǒng)對它的體積的限制呢？

我們經過數年的研究，開發(fā)出一種新型的大電流輸出電感性濾波器NIF。它不同的有差別的特點是：NIF不是一個儲能元件，這是最重要最本質的改變。因而，它的體積不是與輸出電流的平方成正比，而只是與輸出電流成正比，即V=kI。這也就是說，在電感量L和額定輸出電流I都相同的條件下，NIF與傳統(tǒng)的輸出電感性濾波器的體積之比是和輸出電流成反比。即：

（Vn/V）=h（1/I）﹤﹤1

其中：Vn、V、h、I分別為NIF體積，傳統(tǒng)輸出電感濾波器的體積，比例系數，輸出電流。兩者的電感量，工作頻率，額定輸出電流都相同。

這就是說，與傳統(tǒng)的輸出電感性濾波器相比，NIF的體積將大為縮小了。而且電流越大，縮小得也越多。

NIF的體積與工作頻率成反比，與電感量L和輸出電流I成正比，因而具有極高的電感/體積比L/V。這種優(yōu)質的特性是歸功于一種新穎的思路和獨特設計方法，比如說，一個適合于3.5MHz工作頻率，輸出電流100A的NIF,它的電感足以使100AVTM功率芯片的輸出紋波系數小于0.1%—0.05%，但它的體積只相當于這個功率芯片VTM中的功率變壓器的體積。假如我們把它集成在VTM內，因為它非常的小，不至于太多的降低功率芯片的功率密度。

NIF的極高的電感/體積比L/V，使電源的各個組成部分得到了平衡的發(fā)展，將使高功率密度高頻DC/DC開關電源模塊，或者功率芯片，在所有的負載情況下，都能達到很低的紋波系數。從而使數十年來開關電源不斷努力追求的兩個基本目標得以實現(xiàn)。

還要著重提及的是，由于NIF不是一個儲能元件，因此它不是提高響應速度的限制性因素，這也是NIF無與倫比的優(yōu)越性之一。

七、有關響應速度

最后，有必要對電源的紋波系數指標和響應速度的關系加以分析，我們了解，一個控制系統(tǒng)的動態(tài)指標和靜態(tài)指標之間是有矛盾的。比如說，一個理想的感應分壓器（變壓器）或者電阻分壓器，它們的響應速度是極快極快的。但是，它們的諧波抑制能力等于零。同樣的，功率芯片VTM中的變壓器，接近于理想變壓器，因此有很快的響應速度，但是，它們的紋波抑制能力則是不強的。至于是重要滿足靜態(tài)指標還是動態(tài)指標，這要根據使用者的要來綜合考慮確定。比如說，先根據要求設計濾波器以達到100A輸出時紋波系數小于0.05%，這時響應速度可能不夠，我們則可采用合適的閉環(huán)控制，假如控制系統(tǒng)具有足夠的開環(huán)增益與合理的開環(huán)頻率特性函數，一般來說也可以達到預定的閉環(huán)響應速度。

八、對開關電源發(fā)展的展望

在高頻化方面：頻率的提高肯定是有極限的。基本的電路理論告訴我們：一個周期的時間應當比一個開關的動作時間長得多，否則過渡過程的處理就會越來越困難，而一個開關能量的釋放，電路中的儲能元件能量（或電荷）的轉移都是要時間的，能量越大要的時間就越長。另外還存在著高頻工作受寄生參數的影響越來越大、控制電路越來越復雜等更多的難題。能量是不能突變的，我們無法‘制造永動機’。

在小型化方面：以功率密度為120-180W/in3的軟開關高頻DC/DC模塊仍然是當今世界模塊電源最佳的主流產品。新出現(xiàn)的分比式功率架構中的功率芯片，其功率密度甚至達到了1000W/in3，3.5MHz。它的工作頻率再一次的提高比從20KHz提高到數百KHz要困難得多。這似乎在說明，在現(xiàn)在微電子技術的條件下，或者已經接近到頻率使用的極限。假如超出了這個范圍，電源制造的難度將顯著加大，是否合理可能發(fā)生問題。另外，由于直流電源系統(tǒng)內部各部分技術的發(fā)展存在不均衡性，其中發(fā)展最快的是整流器技術，而配電技術則相對發(fā)展緩慢。以通信電源系統(tǒng)為例，一次電源的核心部件整流器的功率密度不斷提高，推動了通信直流電源整機的功率密度不斷提高，但由于配電器件、蓄電池等密度基本維持穩(wěn)定，這也一定程度制約了整機系統(tǒng)的功率密度的提高比率。

在元器件、控制技術和制造工藝、集成技術等等其它方面：在現(xiàn)在電子技術的條件下，除了還沒有發(fā)現(xiàn)新的物質特性，如常溫超導等物質特性外，我們已經成功的解決了很多的問題：如功率半導體器件、高頻磁元件的材料、功率變壓器、新型電容電感、諧振技術與軟開關、同步整流技術、分布電源結構、pFC變換器、全數字化控制、電磁兼容性、設計和測試技術、控制系統(tǒng)的集成化等等。

據此，有的學者認為：按照“創(chuàng)造性解決問題的理論”，這個描述技術系統(tǒng)發(fā)展進化規(guī)律的理論，一般而言，技術的生命周期包含四個階段：嬰兒期、成長期、成熟期和衰退期，種種跡象表明，目前直流電源的核心技術--開關電源技術基本上開始步入成熟期：效率的提升變得緩慢和困難、而電源損耗不能大幅度降低限制了功率密度的進一步提高，……未來幾年甚至十幾年內，直流電源產品將進入一個緩慢發(fā)展的階段，直至有一天，一種新的電源變換技術出現(xiàn)，直流電源產品就會再出現(xiàn)一個階躍性的發(fā)展，就象開關穩(wěn)壓技術替代線性穩(wěn)壓技術，給電源帶來了革命性的變化。

我認為，這個推斷大致是正確的。但是，在這種新的電源變換技術出現(xiàn)之前，我們還能夠作些什么呢？

現(xiàn)在電源制造的標準與規(guī)格是五花八門的，這是技術落后時代的產物，不利于技術的進步，也不利于用戶的使用。在電源技術步入成熟的今天，我們應當力求使電源的制造標準統(tǒng)一于一種先進的模式。

我十分欣賞和贊成分比式功率架構這種靈活的電源組成結構，根據這種芯片化的思想，我們可以按照組成電源的各個功能部件，全部制成相應的功能（功率）芯片，這樣一來，我們就可以根據要，基本上不用任何的外接元器件，通過串并聯(lián)、反饋即可組成任何輸出電壓、電流和功率、各種規(guī)格與指標的電源。

這些功能（功率）芯片是組成電源最基本的單元，它們應該有最優(yōu)秀的品質，不用任何的外接元器件。芯片的制造標準化，并有各種規(guī)格。

這也許是我們這個發(fā)展階段最好的選擇。

上面的文章僅僅是提出了問題，在以后的文章中，本人將對必須涉及的，更多的具體問題，全面詳細的展開討論與評估，并力圖提出解決這些問題的思想和方法。同時也歡迎電源業(yè)界的同行們，參與我們的討論和評議。