DCDC变换器技术现状及未来.docx
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2022-11-10
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DC/DC 变换器技术现状及未来
摘要：从工程实际的角度介绍了 DC/DC 技术的现状及发展，给出当今国际顶级 DC/DC
产品的实用技术、专利技术及普遍采用的特有技术。指出了半导体技术进步给DC/DC 技术
带来的巨大变化。并指出了 DC/DC 的数字化方向。
关键词：有源箱位软开关 同步整流 级联拓朴 MCU 控制 高效率高功率密度 DC/DC
分布式电源系统应用的普及推广以及电池供电移动式电子设备的飞速发展，其电源系统需用
的 DC/DC 电源模块越来越多。对其性能要求越来越高。除去常规电性能指标以外，对其体
积要求越来越小，也就是对其功率密度的要求越来越高，对转换效率要求也越来越高，也即
发热越来越少。这样其平均无故障工作时间才越来越长，可靠性越来越好。因此如何开发设
计出更高功率密度、更高转换效率、更低成本更高性能的DC/DC 转换器始终是近二十年来
电力电子技术工程师追求的目标。例如：二十年前 Lucent 公司开发出第一个半砖 DC/DC 时，
其输出功率才 30W，效率只有 78%。而如今半砖的 DC/DC 输出功率已达到 300W，转换效
率高达 93.5%。
从八十年代末起，工程师们为了缩小DC/DC 变换器的体积，提高功率密度，首先从大幅度
提高开关电源的工作频率做起，但这种努力结果是大幅度缩小了体积，却降低了效率。发热
增多，体积缩小，难过高温关。因为当时 MOSFET 的开关速度还不够快，大幅提高频率使
MOSFET 的开关损耗驱动损耗大幅度增加。工程师们开始研究各种避开开关损耗的软开关
技术。虽然技术模式百花齐放，然而从工程实用角度仅有两项是开发成功且一直延续到现在。
一项是 VICOR 公司的有源箝位 ZVS 软开关技术；另一项就是九十年代初诞生的全桥移相
ZVS 软开关技术。
有源箝位技术历经三代，且都申报了专利。第一代系美国 VICOR 公司的有源箝位 ZVS 技术，
其专利已经于 2002 年 2 月到期。VICOR 公司利用该技术，配合磁元件，将 DC/DC 的工作
频率提高到 1MHZ，功率密度接近 200W/in3，然而其转换效率却始终没有超过 90%，主要
原因在于 MOSFET 的损耗不仅有开关损耗，还有导通损耗和驱动损耗。特别是驱动损耗随
工作频率的上升也大幅度增加，而且因 1MHZ 频率之下不易采用同步整流技术，其效率是
无法再提高的。因此，其转换效率始终没有突破90%大关。
为了降低第一代有源箝位技术的成本，IPD 公司申报了第二代有源箝位技术专利。它采用P
沟 MOSFET 在变压器二次侧用于 forward 电路拓朴的有源箝位。这使产品成本减低很多。
但这种方法形成的 MOSFET 的零电压开关（ZVS）边界条件较窄，在全工作条件范围内效
率的提升不如第一代有源箝位技术，而且PMOS 工作频率也不理想。
为了让磁能在磁芯复位时不白白消耗掉，一位美籍华人工程师于2001 年申请了第三代有源
箝位技术专利，并获准。其特点是在第二代有源箝位的基础上将磁芯复位时释放出的能量转
送至负载。所以实现了更高的转换效率。它共有三个电路方案：其中一个方案可以采用 N
沟 MOSFET。因而工作频率较高，采用该技术可以将ZVS 软开关、同步整流技术、磁能转
换都结合在一起，因而它实现了高达 92%的效率及 250W/in3 以上的功率密度。（即四分之
一砖 DC/DC 做到 250W 功率输出及 92%以上的转换效率）
我们给出三代产品的等效电路，读者可从其细节品味各自的特色。有关有源箝位技术近年论
文论述颇多，此处不多赘述。
全桥移相 ZVS 软开关技术，从 90 年代中期风靡大功率及中功率开关电源领域。该电路拓朴
及控制技术在 MOSFET 的开关速度还不太理想时，对 DC/DC 变换器效率的提升起了很大作
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