數字是高頻電源發展現狀與趨勢

一、開關電源的發展歷程 

1. 世紀50～60年代開關電源研究和應用

開關電源的研究和應用開始于20世紀50年代。1955年美國羅耶(Rog-erGH)發明的自激

振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，首創脈沖寬度調制(PWM)控制，為研制開關電源打下理論基礎。到20世紀60年代，開關電源的各種基本電路拓撲已逐漸成型，其體積小、重量輕和效率高(Z高可達70%)的優勢逐漸顯現。

2. 20世紀70～80年代開關電源正式進入“高頻”時代

20世紀70年代，以電力晶體管 GTR為代表的高頻電力開關的出現使開關電源的頻率提高到20kHz，在開關變換時不會產生刺耳噪聲。20世紀80年代，IG-BT的出現讓僅適用于小功率場合的開關電源在中大功率直流電源中也得以發揮作用。20世紀80年代末期，采用PWM技術的MOSFET開關整流器，開關頻率均在 50kHz左右。

3. 20世紀90年代軟開關PWM控制技術促成高頻開關電源又一次飛躍

隨著工作頻率的提高，開關損耗不可避免地大大增加。軟開關技術的出現將開關損耗幾乎降為零。零電壓變換、零電流變換、諧振變換、準諧振變換和移相諧振變換等軟開關技術使高頻開關電源在保持高效率的前提下工作頻率越來越高，帶來巨大的經濟效益。20世紀90年代，高頻開關電源的工作頻率已提高至500kHz～1MHz。

4. 21世紀高頻開關電源進入數字化時代

進入21世紀，隨著數字電路技術、計算機控制技術的發展以及在電力電子技術上的應用，高頻開關電源進入數字電源時代，且發展迅猛。數字化電源從功能上定義為數字化控制的電源產品，提供控制、管理和檢測功能，可以對整個電源回路進行控制。開始時，數字電源僅停留在概念和技術討論層面，沒有形成真正意義上的數字電源產品。直到2005年，美國德州儀 器公司(TI)率先推出創新性的數字化電源產品，以“全數字控制回路”為特征的數字化電源控制芯片開始出現，實現數字化電源真正由概念走向運用。

二、高頻開關電源的發展現狀

數字是高頻電源，高頻開關電源從產生發展至今，其各方面性能有了普遍提高。隨著現代電力電子技術的飛速發展，越來越多的高新技術被成功應用到高頻開關電源中，極大地提高了高頻開關電源的各方面性能。

1.   逐漸淘汰線性電源

高頻開關電源在技術上較線性電源具有很大優勢，節省了用來制造工頻變壓器的材料和空間，體積小、質量輕、可靠性高且性價比好，易于實現各種不同功率的輸出。隨著高頻開關電源開關頻率的不斷提高及高頻濾波技術的同步發展，原來困擾開關電源的輸出紋波大等問題得以克服，開關電源的輸出紋波可與線性電源相媲美，促使在各行業逐漸淘汰線性電源。

2.開關頻率已達MHz級

高頻開關電源自20世紀70年代突破20 kHz以來，隨著技術的進步，其產品的頻率一路飆升到500kHz～1MHz。世界上很多國家都在致力于MHz級的高頻開關電源的研究。我國在這方面的研究較為滯后，但是已經取得了一定的成果。

3.小型化發展迅速

通過對高頻開關電源原理的分析和實際應用證明，電源使用的電容、電感、變壓器的體積和質量與電源工作頻率的平方根成反比。依據這個原理，高頻開關電源的頻率提高必然促成了體積的減小。電源小型化能使產品輕便、節省材料消耗和降低成本，具有很重要的經濟價值。

4.效率得到較大提高

由于各種新技術的運用，世界上高頻開關電源的效率達到95%以上，國內應用軟開關技術制造的6kW通信開關電源的效率已達到了93%。 

5.提高頻率和減少體積不可避免面臨許多難題

 隨著開關頻率的提高，必將帶來很多負面影響，包括開關元件和無源元件損耗的增加、元件高頻寄生參數和電磁干擾EMI等，都必須兼顧考慮。 

6. 軟開關技術發展應用日趨成熟

由于軟開關技術在理論上可以將開關損耗降 低為零，因此該技術始終是研究的熱點。其電路 可分為:準諧振電路、零開關PWM電路和零轉換PWM電路。目前發展應用成熟的技術包括:有源鉗位ZVS軟開關技術和全橋移相ZVS軟開關技術，效率可達90%以上。 

7.軟開關與硬開關結合技術取得較好效果

軟開關技術的出現并沒有使硬開關技術逐漸沒落，相反通過與軟開關技術結合，煥發出新的活力。如零電流變換(ZCT)和零電壓變換(ZVT)技術，兼有軟開關的開關損耗小、EMI低、頻率高、效率高、節能效果好等優點和硬開關的開關管電壓、電流容量定額小和易于實現濾波等優點。

8.同步整流技術極大提高了開關電源的轉換效率

同步整流技術通過使用導通電阻極低(不大于3mΩ)的MOSFET，替代傳統的二極管作為逆變后的整流器件，通過控制器產生與整流電壓相位同步的柵極驅動信號控制同步整流器正常工作，這種方法可以極大降低整流損耗，主要應用于低壓大電流功率變換器中。

9.高頻有源功率因數校正(PFC)技術有效提高功率因數

高頻開關電源就像是交流電網上的非線性負載，所產生的高次諧波電流從輸電線輻射出去而污染電網，造成很大危害。PFC技術能有效地減少高頻開關電源對電網的污染，主要運用的是有源PFC技術。高頻有源PFC技術使電源輸入電流實現正弦化，且與輸入電源保持同相位，達到諧波抑制的目的。目前，主要的有源PFC技術包括兩級PFC技術和單級PFC技術兩種。

10.電磁兼容性(EMC)的設計技術有效降

低高頻開關電磁干擾 由于高頻開關電源的結構特點，伴隨著開關電源開關操作時急劇的電壓和電流變化而產生的浪涌和噪聲，將作為傳導噪聲或輻射噪聲傳遞至設備的外部，從而引發電磁干擾(EMI)問題。EMC設計技術可以有效地解決這個問題。目前抑制電源EMI的三種重要的新技術包括周期擴頻、隨機擴頻和混沌擴頻。周期調頻已應用于商品電源中，而后兩種調頻技術正在發展之中。

11.電源電路、電源系統的模塊化提升了電源品質

目前，為了便于設計人員靈活使用各功能模塊，提高制造效率、降低成本、減小體積和提高可靠性，制造商將PFC、ZVS、ZCS、PWM控制、并聯均流控制和移相全橋控制等控制功能集成在專用芯片內，把功率開關器件同控制、驅動、保護、檢測等電路封裝在一個模塊內構成電力電子器件模塊。此外，制造商將控制、功率半導體器件和信息傳輸等功能全部集成在一個模塊中，通過取消傳統連線和電、熱、結構的優化設計，達到縮小體積、降低寄生參數和提高產品可靠性的目的。

12. 單臺功率輸出不高限制國內大功率電源領域的應用

目前，國內的大功率高頻開關電源產品稀少且性能欠佳，而且單機容量大于20 kW的大功率高頻開關電源在國內外極為少見，單機輸出電流一般在1000A以下。這些問題造成高頻開關電源在國內電化學和冶金等需要大功率(幾百千瓦或幾兆瓦以上)電源的領域還未得到應用。構成高頻開關電源主功率電路的Z基本、Z重要的兩大要素:電力電子器件和磁性器件的輸出功率不高，是目前阻礙功率提升的主要瓶頸。

13.分布式電源系統極大提升電源輸出功率

分布式高頻開關電源系統通過電源模塊并聯運行的方式，采用系統均流、N+M冗余設計和熱插拔技術，使得每個變換器處理較小的功率以降低電應力，突破了單臺輸出功率不夠大的瓶頸，將輸出功率提升到幾十千瓦甚至幾百千瓦，大大提高了系統的可靠性。此外，這種系統能擴展出多種功率輸出，降低了開發成本。

14. PWM反饋回路的數字控制技術得到實際應用

基于電子設計自動化(EDA)技術、單片機技術和數字信號處理器(DSP)技術等數字技術開發的數字電源通過軟件和硬件設計，可以替代模擬電路，實現PWM反饋回路的數字控制。DSP可通過內置PID算法生成數字PWM波形控制主 功率變換器;配合A/D轉換和CPLD等芯片檢測系統電流、電壓和溫度參數，經內部處理調整PWM信號輸出，實現調節電源輸出和各種保護功能，還可以對同步整流電路進行精確的同步控制。 

15. 基于數字技術開發的電源管理與通信功能提高產品性能

數字高頻開關電源能通過接口電路，外接鍵盤和液晶顯示器，進行人機交互操作;通過串口RS485、RS232或CAN總線等接口與上位機進行數據的通信，實現遙測遙控。數字電源的網絡接口，便于實現在線維護、自檢和升級，極大提高了產品的可靠性和使用壽命。

16. 數字技術方便產品設計

各種功能的集成數字電路、數字控制芯片以及先進的EDA技術、單片機技術和DSP技術使得設計人員能夠擺脫以往繁復的模擬電路設計，專注于電源產品的質量、性能和功能的完善。通過運用計算機輔助設計(CAD)手段，包括TOPs-witch(PROTEL)、DXP等電路設計軟件，可以提高電源產品的開發效率，縮短研發周期。目前流行的Pspice和Matleb等仿真軟件不能完全仿真高頻開關電源的高頻寄生參數，只能在前期研究中提供參考，無法做到完全的仿真設計。

三、高頻開關電源的發展趨勢

1．模塊化、標準化

模塊化設計是高頻開關電源的重要特色之一。它具有安裝便捷、維護方便、系統可靠性高等特點。正是由于高頻開關電源具備了輕巧、緊湊的模塊化設計，才使得電力、通信的直流供電系統設計理念發生了革命性的變化，直流供電系統由原來的 1+1 主從備份轉化為 N+1 冗余備份，大大降低了系統的成本，提高了系統的性能和可靠程度。模塊化設計的直流供電系統擴容方便，可以輕松的將原系統的容量增加為原來的幾倍甚至十幾倍。模塊化改變了不間斷供電系統設計理念，提高了系統的電氣性能、可靠性和智能化水平，降低了系統制造成本，直接促進了開關電源產品的技術升級和廣泛應用。

電源模塊的標準化設計是為了使所有的產品具有統一性和可互換性。如今各個行業所出臺的一些規范標準對電源的電氣性能和防護等級等做出了統一的規范，使得電源生產企業逐步向著標準化的方向發展，但是對產品外觀尺寸、安裝方式、散熱方式、接口定義、命名方式等并沒有明確的標準，目前各家企業都有自己的執行標準，難以實現互換，造成了電源設備管理和維護的障礙，因此電源模塊的標準化是業界的重要趨勢之一。

2．高效率、高功率密度、低成本

效率更高、重量更輕、尺寸更小、成本更低一直是電源產品的發展方向。高轉換效率、高功率密度和先進的工藝不僅提高了產品品質，也可以降低產品的成本，達到節約材料、節約能源的目的。

隨著功率變換技術的發展，設計、制作工藝水平的提高，以及市場需求的推動，電源產品的功率密度逐步成為評價其競爭力的重要指標之一。從工頻相控電源到高頻開關電源，功率密度提高了數十倍，帶來了小型化、輕量化和低成本等諸多優勢，代表了該領域未來的發展方向。

3．智能化程度進一步提高

電力操作電源系統智能化程度的提高主要包含兩個方面。一方面是充電模塊自身的智能化，另一方面是系統監控的智能化。

充電模塊的智能化主要體現在具備自我實時監測和記錄功能，可進行故障檢測、故障定位；可實現遠程狀態監測、遠程故障檢測、故障定位和故障排除；具備完善可靠的故障退出機制及自身監測系統冗余配置，提高了其工作的可靠性。系統監控的智能化主要體現在對系統設備運行的環境狀態、動力狀態等進行實時監控并記錄歷史數據，實現對電力機房遠程遙控管理功能，使電力行業機房監控達到無人或少人值守，為機房的高效管理和安全運營提供有力的保證。監控系統可分為前端采集處理、數據傳輸以及后臺監控管理部分。三者有效的結合保證該系統能夠實時、快速、準確地將設備現場的圖像和數據回傳到監控中心。

4．全數字化控制

電源的控制已經由模擬控制、模數混合控制，進入到全數字控制階段。全數字控制具有更強的抗干擾能力，可以更快速靈活的實現設計理念，縮短開發周期。數字芯片的一致性好，適合大規模生產。全數字化控制集成度越來越高，可以縮小控制電路的體積和功耗。數字化控制和數字化均流技術的普及有利于提高模塊設計的標準化水平，促進標準化進程的發展。同時可大幅提高開關頻率，提高產品的功率密度。全數字化控制可以實現在線編程，制作可編程電源滿足不同用戶的各種特殊需求等。全數字控制作為一個新的發展趨勢，已經在許多功率變換設備中得到應用。

四、高頻開關電源行業競爭格局

1．電力操作電源模塊和電力操作電源系統市場

(1)電力操作電源模塊。國內電力操作電源模塊市場主要廠商包括艾默生、通合電子和英可瑞等。其中，艾默生進入電力操作電源模塊市場較早，積累了較強的品牌優勢。通合電子憑借自身的技術研發實力、營銷網絡和服務體系在業內樹立了良好的品牌形象，公司電力操作電源模塊收入 2010-2014 年間年均復合增長率 22.47%，快速成長為行業領先企業之一。

(2)電力操作電源系統。目前國內的電力操作電源系統市場集中度不高。主要廠商包括魯能智能、奧特迅、許繼電源、中恒電氣、九洲電氣、泰坦能源技術等。區別于魯能智能和奧特迅等廠商，通合電子主要為業內系統集成商提供電力操作電源系統配套產品。

2． 電動汽車車載電源和充換電站充電電源系統市場

(1)電動汽車車載電源市場。國內車載電源行業起步較晚，但隨著新能源產業政策的積極推動和電動汽車技術的快速發展，國內企業技術和生產工藝表現出了一定的創新能力。電動汽車車載電源行業主要企業包括杭州鐵城、通合電子、欣銳特、艾默生等企業。通合電子憑借深厚的技術研發能力和市場拓展能力進入了福田汽車、宇通客車、南京金龍、廈門金旅、萬向電動汽車有限公司等大型汽車行業廠商的供應商體系，成為了車載電源的主要供應商之一。