1955年美国的科学家罗耶首先研制成功了利用磁芯的磁饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。此后,世界各地利用这一技术的各种形式的晶体管直流变换器不断被研制出来,从而取代了早期采用的寿命短﹑可靠性差﹑转换效率低的旋转式和机械振子式换流设备。由于晶体管直流交换器中的功率晶体管工作在开关状态,由此制成的稳压电源输出路数多,输出极性可变,转换效率高,体积小,重量轻,因而当时被广泛应用于航海﹑航空以及军事电子设备上。由于那时的微电子设备和技术十分落后,不能够研制出耐压较高﹑开关速度较快﹑功率较大的开关晶体管,因此这个时期的直流变换器只能采用低电压输入,并且转换的速度也不能太高,工作频率仅局限于千赫量级。另外,由于输入电压不能过高,因此当时的直流变换器中还含有工频降压变压器。
20世纪60年代末,由于微电子技术的快速发展,高反压﹑大电流的功率开关晶体管出现了,从此直流变换器就可以直接由工频电网电压经整流﹑滤波后输入供电,体积大﹑重量重﹑效率低的工频降压变压器终于给甩掉了。这迅速扩大了晶体管直流变换器的应用范围,并在此基础上诞生了无工频变压器的开关稳压电源。由于省掉了工频降压变压器,开关稳压电源的体积和重量大幅度减少和降低,开关稳压电源才真正走上了效率高﹑体积小﹑重量轻而被推广普及应用的道路。
20世纪70年代以后,与这种技术有关的高频率﹑高反压﹑大电流的功率开关晶体管,高频率﹑高温电容,高反压﹑大电流﹑快恢复肖特基二极管,高频变压器磁芯材料等元器件不断地被研制﹑生产出来,使无工频变压器开关稳压电源不断得到完善和快速发展,并且被迅速而又广泛地应用于电子计算机﹑通信﹑航海﹑航空﹑军事电子设备和电视机等领域中,从而使无工频变压器的开关稳压电源成为各种设备供电电源中的佼佼者。
目前正在克服的困难
随着电力电子技术和微电子技术的高速发展,集成度高﹑功能强的大规模集成电路的不断出现,电子设备的体积不断缩小,重量不断减轻,内部功率损耗不断减少。因此一台电子设备能否小型化﹑微型化﹑成为便携式的关键,就是开关稳压电源能否小型化﹑微型化﹑模块化。因此开关稳压电源的小型化﹑微型化﹑模块化就成为技术人员研究和探讨的核心和热点。从事开关稳压电源研究和生产的技术人员对开关稳压电源电路中变压器还感到不是十分的理想,他们正致力于研制出转换效率更高﹑体积更小﹑重量更轻的开关变压器或者通过其他的途径和方法来取代电路中的变压器,使之能够满足电子仪器和设备小型化的需要。这就是从事开关稳压电源研究工作的科技人员目前正在解决的第一个难题。
开关稳压电源的效率是与功率开关管的变换速度成正比的,并且开关稳压电源中采用了开关变压器以后,才能使之有一组输入电压得到极性﹑大小各不相同的多路输出电压。要进一步提高开关稳压电源的转换效率,就必须提高其工作效率。但是当工作频率提高以后,开关稳压电源对整个电路中的元器件又有了新的要求。例如,高频电容﹑功率开关晶体管﹑高频开关变压器﹑(教学资源 http://www.0451jiajiaowang.com)储能电感﹑快恢复续流二极管﹑PCB电路设计等都会出现新的问题。进一步研制适应开关稳压电源高频率工作的有关器件和PCB电路,就成了从事开关稳压电源研究﹑设计和生产的科技人员要解决的第二个难题。
工作在线性放大状态的线性稳压电源电路具有稳压和滤波的双重作用,同时工作频率又在较低的工频50Hz,因而串联线性稳压电源不会产生开关噪声和干扰,并且输出纹波电压也较低。但是开关稳压电源电路中的功率开关管工作在频率较高的开关状态,其高频电压和电流会通过电路中的元器件和PCB引线辐射和传播较强的尖峰干扰和谐振噪声。这些干扰和噪声会污染工频电网和周围环境,影响邻近的电子仪器和设备的正常工作。随着开关稳压电源电路和抑制干扰﹑噪声措施的不断改进和提高,开关稳压电源的这一缺点得到了一定的克服,可以达到不妨碍一般电子仪器﹑设备和家用电器正常工作和正常使用的程度。但是在一些对输出稳定度和输出纹波要求较高的精密电子仪器和仪表中,开关稳压电源的这一缺点使它不能得到应用,导致这些高精度仪器和仪表要么采用电池或电瓶供电,要么就不能小型化﹑微型化而成为便携式仪器和仪表。所以克服开关稳压电源的这一缺点,进一步提高它的输出稳定度和降低它的输出纹波电压,扩大它的适用范围,就成了从事开关稳压电源研究,设计和生产的科技人员要解决的第三个难题。
工作在开关状态的开关稳压电源电路中功率开关晶体管上的损耗主要包括驱动导通的上升时间内的损耗﹑驱动关断的下降时间内的损耗,导通以后由于管压降不能为零而产生的损耗和关断以后由于漏电流不能为零而引起的损耗这四部分。其中驱动导通的上升时间内的损耗和驱动关断的下降时间内的损耗这两部分损耗可以通过提高功率开关管的工作速度来解决,而导通以后由于管压降不能为零而产生的损耗和关断以后由于漏电流不能为零而引起的损耗这两部分则必须通过寻求新的驱动方式和新的功率开关管来解决。新的驱动方式和新的功率开关管主要指的是开关稳压电源中的开关工作状态应该是零流关断和零压导通,也就是电路中的功率开关管关断时漏电流为零,导通时管压降为零。因此寻求新的驱动方式和研制新的功率开关管便成了从事开关稳压电源研究﹑设计和生产的科技人员要解决的第四个难题。
面对难题所出现的新突破和新进展
为了解决开发稳压电源应用中所出现的难题,从事开关稳压电源研究的科技人员,以及与这门学科相关的其他学科的科技人员在不懈地努力探索。首先是从事开关稳压电源研究的科技人员设计和研制出了谐振式开关稳压电源,从根本上解决了由于功率开关管上的功率大而导致开关稳压电源转换效率低的问题,同时也从根本上解决了由于功率开关管上的电流和电压应力大而导致开关稳压电源可靠性和稳定性低的问题。另外,从事半导体技术和工艺研究的科技人员几乎在同一时期也设计和研制出了具有零流关断和零压导通的复合功率开关管IGBT这种复合功率开关管IGBT是把门极关断晶闸管和MOSFET的优点集于一体,取长补短形成了既具有MOSFET输入驱动所需功率非常小的输入特性,又具有GTR导通以后管压降非常小的输出特性。谐振式开关稳压电路结构加上复合开关管IGBT,使开关稳压电源可以拓展到大功率和超大功率的应用场合,如逆变焊机﹑电瓶汽车﹑电力机车﹑磁悬浮列车和直流输电等。
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