開關電源技術發(fā)展的十個關注點
上世紀60年代,開關電源的問世,使其逐漸取代了線性穩(wěn)壓電源和SCR相控電源.40多年來,開關電源技術有了飛迅開展和變化,閱歷了功率半導體器件、高頻化和軟開關技術、開關電源系統的集成技術三個開展階段.
功率半導體器件從雙極型器件(BPT、SCR、GTO)開展為MOS型器件(功率MOSFET、IGBT、IGCT等),使電力電子系統有可能完成高頻化,并大幅度降低導通損耗,電路也更為簡單.
自上世紀80年代開端,高頻化和軟開關技術的開發(fā)研討,使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小.高頻化和軟開關技術是過去20年國際電力電子界研討的熱點之一.
上世紀90年代中期,集成電力電子系統和集成電力電子模塊(IPEM)技術開端開展,它是當今國際電力電子界亟待處理的新問題之一.
關注點一:功率半導體器件性能
1998年,Infineon公司推出冷mos管,它采用\"超級結\"(Super-Junction)構造,故又稱超結功率MOSFET.工作電壓600V~800V,通態(tài)電阻簡直降低了一個數量級,仍堅持開關速度快的特性,是一種有開展出路的高頻功率半導體器件.
IGBT剛呈現時,電壓、電流額定值只要600V、25A.很長一段時間內,耐壓程度限于1200V~1700V,經過長時間的探究研討和改良,如今IGBT的電壓、電流額定值已分別到達3300V/1200A和4500V/1800A,高壓IGBT單片耐壓已到達6500V,普通IGBT的工作頻率上限為20kHz~40kHz,基于穿通(PT)型構造應用新技術制造的IGBT,可工作于150kHz(硬開關)和300kHz(軟開關).
IGBT的技術停頓實踐上是通態(tài)壓降,快速開關和高耐壓才能三者的折中.隨著工藝和構造方式的不同,IGBT在20年歷史開展進程中,有以下幾品種型:穿通(PT)型、非穿通(NPT)型、軟穿通(SPT)型、溝漕型和電場截止(FS)型.
碳化硅SiC是功率半導體器件晶片的理想資料,其優(yōu)點是:禁帶寬、工作溫度高(可達600℃)、熱穩(wěn)定性好、通態(tài)電阻小、導熱性能好、漏電流極小、PN結耐壓高等,有利于制造出耐高溫的高頻大功率半導體器件.
能夠預見,碳化硅將是21世紀最可能勝利應用的新型功率半導體器件資料.
關注點二:開關電源功率密度
進步開關電源的功率密度,使之小型化、輕量化,是人們不時努力追求的目的.電源的高頻化是國際電力電子界研討的熱點之一.電源的小型化、減輕重量對便攜式電子設備(如挪動電話,數字相機等)尤為重要.使開關電源小型化的詳細方法有:
一是高頻化.為了完成電源高功率密度,必需進步PWM變換器的工作頻率、從而減小電路中儲能元件的體積重量.
二是應用壓電變壓器.應用壓電變壓器可使高頻功率變換器完成輕、小、薄和高功率密度.壓電變壓器應用壓電陶瓷資料特有的\"電壓-振動\"變換和\"振動-電壓\"變換的性質傳送能量,其等效電路好像一個串并聯諧振電路,是功率變換范疇的研討熱點之一.
三是采用新型電容器.為了減小電力電子設備的體積和重量,必需設法改良電容器的性能,進步能量密度,并研討開發(fā)合適于電力電子及電源系統用的新型電容器,請求電容量大、等效串聯電阻ESR小、體積小等.
關注點三:高頻磁與同步整流技術
電源系統中應用大量磁元件,高頻磁元件的資料、構造和性能都不同于工頻磁元件,有許多問題需求研討.對高頻磁元件所用磁性資料有如下請求:損耗小,散熱性能好,磁性能優(yōu)越.適用于兆赫級頻率的磁性資料為人們所關注,納米結晶軟磁資料也已開發(fā)應用.
高頻化以后,為了進步開關電源的效率,必需開發(fā)和應用軟開關技術.它是過去幾十年國際電源界的一個研討熱點.
關于低電壓、大電流輸出的軟開關變換器,進一步進步其效率的措施是設法降低開關的通態(tài)損耗.例好像步整流SR技術,即以功率MOS管反接作為整流用開關二極管,替代蕭特基二極管(SBD),可降低管壓降,從而進步電路效率.
關注點四:散布電源構造
散布電源系統合適于用作超高速集成電路組成的大型工作站(如圖像處置站)、大型數字電子交流系統等的電源,其優(yōu)點是:可完成DC/DC變換器組件模塊化;容易完成N+1功率冗余,進步系統可*性;易于擴增負載容量;可降低48V母線上的電流和電壓降;容易做到熱散布平均、便于散熱設計;瞬態(tài)響應好;可在線改換失效模塊等.
如今散布電源系統有兩種構造類型,一是兩級構造,另一種是三級構造.
關注點五:PFC變換器
由于AC/DC變換電路的輸入端有整流元件和濾波電容,在正弦電壓輸入時,單相整流電源供電的電子設備,電網側(交流輸入端)功率因數僅為0.6~0.65.采用PFC(功率因數校正)變換器,網側功率因數可進步到0.95~0.99,輸入電流THD小于10%.既管理了電網的諧波污染,又進步了電源的整體效率.這一技術稱為有源功率因數校正APFC單相APFC國內外開發(fā)較早,技術已較成熟;三相APFC的拓撲類型和控制戰(zhàn)略固然曾經有很多種,但還有待繼續(xù)研討開展.
普通高功率因數AC/DC開關電源,由兩級拓撲組成,關于小功率AC/DC開關電源來說,采用兩級拓撲構造總體效率低、本錢高.
假如對輸入端功率因數請求不特別高時,將PFC變換器和后級DC/DC變換器組合成一個拓撲,構成單級高功率因數AC/DC開關電源,只用一個主開關管,可使功率因數校正到0.8以上,并使輸出直流電壓可調,這種拓撲構造稱為單管單級即S4PFC變換器.
關注點六:電壓調理器模塊VRM
電壓調理器模塊是一類低電壓、大電流輸出DC-DC變換器模塊,向微處置器提供電源.
如今數據處置系統的速度和效率日益進步,為降卑微處置器IC的電場強度和功耗,必需降低邏輯電壓,新一代微處置器的邏輯電壓已降低至1V,而電流則高達50A~100A,所以對VRM的請求是:輸出電壓很低、輸出電流
大、電流變化率高、快速響應等.
關注點七:全數字化控制
電源的控制曾經由模仿控制,模數混合控制,進入到全數字控制階段.全數字控制是一個新的開展趨向,曾經在許多功率變換設備中得到應用.
但是過去數字控制在DC/DC變換器中用得較少.近兩年來,電源的高性能全數字控制芯片曾經開發(fā),費用也已降到比擬合理的程度,歐美已有多家公司開發(fā)并制造出開關變換器的數字控制芯片及軟件.
全數字控制的優(yōu)點是:數字信號與混合模數信號相比能夠標定更小的量,芯片價錢也更低廉;對電流檢測誤差能夠停止準確的數字校正,電壓檢測也更準確;能夠完成快速,靈敏的控制設計.
關注點八:電磁兼容性
高頻開關電源的電磁兼容EMC問題有其特殊性.功率半導體開關管在開關過程中產生的di/dt和dv/dt,惹起強大的傳導電磁干擾調和波干擾.有些狀況還會惹起強電磁場(通常是近場)輻射.不但嚴重污染四周電磁環(huán)境,對左近的電氣設備形成電磁干擾,還可能危及左近操作人員的平安.同時,電力電子電路(如開關變換器)內部的控制電路也必需能接受開關動作產生的EMI及應用現場電磁噪聲的干擾.上述特殊性,再加上EMI丈量上的詳細艱難,在電力電子的電磁兼容范疇里,存在著許多交*科學的前沿課題有待人們研討.國內外許多大學均展開了電力電子電路的電磁干擾和電磁兼容性問題的研討,并獲得了不少可喜成果.近幾年研討成果標明,開關變換器中的電磁噪音源,主要來自主開關器件的開關作用所產生的電壓、電流變化.變化速度越快,電磁噪音越大.
關注點九:設計和測試技術
建模、仿真和CAD是一種新的設計工具.為仿真電源系統,首先要樹立仿真模型,包括電力電子器件、變換器電路、數字和模仿控制電路以及磁元件和磁場散布模型等,還要思索開關管的熱模型、可*性模型和EMC模型.各種模型差異很大,建模的開展方向是:數字-模仿混合建模、混合層次建模以及將各種模型組成一個統一的多層次模型等.
電源系統的CAD,包括主電路和控制電路設計、器件選擇、參數最優(yōu)化、磁設計、熱設計、EMI設計和印制電路板設計、可*性預估、計算機輔助綜合和優(yōu)化設計等.用基于仿真的專家系統停止電源系統的CAD,可使所設計的系統性能最優(yōu),減少設計制造費用,并能做可制造性剖析,是21世紀仿真和CAD技術的開展方向之一.此外,電源系統的熱測試、EMI測試、可*性測試等技術的開發(fā)、研討與應用也是應鼎力開展的.
關注點十:系統集成技術
電源設備的制造特性是:非規(guī)范件多、勞動強度大、設計周期長、本錢高、可*性低等,而用戶請求制造廠消費的電源產品愈加適用、可*性更高、更輕小、本錢更低.這些狀況使電源制造廠家接受宏大壓力,迫切需求展開集成電源模塊的研討開發(fā),使電源產品的規(guī)范化、模塊化、可制造性、范圍消費、降低本錢等目的得以完成. 實踐上,在電源集成技術的開展進程中,曾經閱歷了電力半導體器件模塊化,功率與控制電路的集成化,集成無源元件(包括磁集成技術)等開展階段.近年來的開展方向是將小功率電源系統集成在一個芯片上,能夠使電源產品更為緊湊,體積更小,也減小了引線長度,從而減小了寄生參數.在此根底上,能夠完成一體化,一切元器件連同控制維護集成在一個模塊中.
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