開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的十個關(guān)注點
上世紀(jì)60年代,開關(guān)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(guān)電源技術(shù)有了飛迅開展和變化,閱歷了功率半導(dǎo)體器件、高頻化和軟開關(guān)技術(shù)、開關(guān)電源系統(tǒng)的集成技術(shù)三個開展階段.
功率半導(dǎo)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(tǒng)有可能完成高頻化,并大幅度降低導(dǎo)通損耗,電路也更為簡單.
自上世紀(jì)80年代開端,高頻化和軟開關(guān)技術(shù)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(guān)技術(shù)是過去20年國際電力電子界研討的熱點之一.
上世紀(jì)90年代中期,集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊(IPEM)技術(shù)開端開展,它是當(dāng)今國際電力電子界亟待處理的新問題之一.
關(guān)注點一:功率半導(dǎo)體器件性能
1998年,Infineon公司推出冷mos管,它采用\"超級結(jié)\"(Super-Junction)構(gòu)造,故又稱超結(jié)功率MOSFET.工作電壓600V~800V,通態(tài)電阻簡直降低了一個數(shù)量級,仍堅持開關(guān)速度快的特性,是一種有開展出路的高頻功率半導(dǎo)體器件.
IGBT剛呈現(xiàn)時,電壓、電流額定值只要600V、25A.很長一段時間內(nèi),耐壓程度限于1200V~1700V,經(jīng)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(dá)3300V/1200A和4500V/1800A,高壓IGBT單片耐壓已到達(dá)6500V,普通IGBT的工作頻率上限為20kHz~40kHz,基于穿通(PT)型構(gòu)造應(yīng)用新技術(shù)制造的IGBT,可工作于150kHz(硬開關(guān))和300kHz(軟開關(guān)).
IGBT的技術(shù)停頓實踐上是通態(tài)壓降,快速開關(guān)和高耐壓才能三者的折中.隨著工藝和構(gòu)造方式的不同,IGBT在20年歷史開展進(jìn)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(dǎo)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(dá)600℃)、熱穩(wěn)定性好、通態(tài)電阻小、導(dǎo)熱性能好、漏電流極小、PN結(jié)耐壓高等,有利于制造出耐高溫的高頻大功率半導(dǎo)體器件.
能夠預(yù)見,碳化硅將是21世紀(jì)最可能勝利應(yīng)用的新型功率半導(dǎo)體器件資料.
關(guān)注點二:開關(guān)電源功率密度
進(jìn)步開關(guān)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(shè)備(如挪動電話,數(shù)字相機(jī)等)尤為重要.使開關(guān)電源小型化的詳細(xì)方法有:
一是高頻化.為了完成電源高功率密度,必需進(jìn)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(yīng)用壓電變壓器.應(yīng)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(yīng)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(zhì)傳送能量,其等效電路好像一個串并聯(lián)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(shè)備的體積和重量,必需設(shè)法改良電容器的性能,進(jìn)步能量密度,并研討開發(fā)合適于電力電子及電源系統(tǒng)用的新型電容器,請求電容量大、等效串聯(lián)電阻ESR小、體積小等.
關(guān)注點三:高頻磁與同步整流技術(shù)
電源系統(tǒng)中應(yīng)用大量磁元件,高頻磁元件的資料、構(gòu)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(guān)注,納米結(jié)晶軟磁資料也已開發(fā)應(yīng)用.
高頻化以后,為了進(jìn)步開關(guān)電源的效率,必需開發(fā)和應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù).它是過去幾十年國際電源界的一個研討熱點.
關(guān)于低電壓、大電流輸出的軟開關(guān)變換器,進(jìn)一步進(jìn)步其效率的措施是設(shè)法降低開關(guān)的通態(tài)損耗.例好像步整流SR技術(shù),即以功率MOS管反接作為整流用開關(guān)二極管,替代蕭特基二極管(SBD),可降低管壓降,從而進(jìn)步電路效率.
關(guān)注點四:散布電源構(gòu)造
散布電源系統(tǒng)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(shù)字電子交流系統(tǒng)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(jìn)步系統(tǒng)可*性;易于擴(kuò)增負(fù)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(shè)計;瞬態(tài)響應(yīng)好;可在線改換失效模塊等.
如今散布電源系統(tǒng)有兩種構(gòu)造類型,一是兩級構(gòu)造,另一種是三級構(gòu)造.
關(guān)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(shè)備,電網(wǎng)側(cè)(交流輸入端)功率因數(shù)僅為0.6~0.65.采用PFC(功率因數(shù)校正)變換器,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可進(jìn)步到0.95~0.99,輸入電流THD小于10%.既管理了電網(wǎng)的諧波污染,又進(jìn)步了電源的整體效率.這一技術(shù)稱為有源功率因數(shù)校正APFC單相APFC國內(nèi)外開發(fā)較早,技術(shù)已較成熟;三相APFC的拓?fù)漕愋秃涂刂茟?zhàn)略固然曾經(jīng)有很多種,但還有待繼續(xù)研討開展.
普通高功率因數(shù)AC/DC開關(guān)電源,由兩級拓?fù)浣M成,關(guān)于小功率AC/DC開關(guān)電源來說,采用兩級拓?fù)錁?gòu)造總體效率低、本錢高.
假如對輸入端功率因數(shù)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?fù)?構(gòu)成單級高功率因數(shù)AC/DC開關(guān)電源,只用一個主開關(guān)管,可使功率因數(shù)校正到0.8以上,并使輸出直流電壓可調(diào),這種拓?fù)錁?gòu)造稱為單管單級即S4PFC變換器.
關(guān)注點六:電壓調(diào)理器模塊VRM
電壓調(diào)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(shù)據(jù)處置系統(tǒng)的速度和效率日益進(jìn)步,為降卑微處置器IC的電場強(qiáng)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(dá)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(yīng)等.
關(guān)注點七:全數(shù)字化控制
電源的控制曾經(jīng)由模仿控制,模數(shù)混合控制,進(jìn)入到全數(shù)字控制階段.全數(shù)字控制是一個新的開展趨向,曾經(jīng)在許多功率變換設(shè)備中得到應(yīng)用.
但是過去數(shù)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(shù)字控制芯片曾經(jīng)開發(fā),費(fèi)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(guān)變換器的數(shù)字控制芯片及軟件.
全數(shù)字控制的優(yōu)點是:數(shù)字信號與混合模數(shù)信號相比能夠標(biāo)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(zhǔn)確的數(shù)字校正,電壓檢測也更準(zhǔn)確;能夠完成快速,靈敏的控制設(shè)計.
關(guān)注點八:電磁兼容性
高頻開關(guān)電源的電磁兼容EMC問題有其特殊性.功率半導(dǎo)體開關(guān)管在開關(guān)過程中產(chǎn)生的di/dt和dv/dt,惹起強(qiáng)大的傳導(dǎo)電磁干擾調(diào)和波干擾.有些狀況還會惹起強(qiáng)電磁場(通常是近場)輻射.不但嚴(yán)重污染四周電磁環(huán)境,對左近的電氣設(shè)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(guān)變換器)內(nèi)部的控制電路也必需能接受開關(guān)動作產(chǎn)生的EMI及應(yīng)用現(xiàn)場電磁噪聲的干擾.上述特殊性,再加上EMI丈量上的詳細(xì)艱難,在電力電子的電磁兼容范疇里,存在著許多交*科學(xué)的前沿課題有待人們研討.國內(nèi)外許多大學(xué)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(biāo)明,開關(guān)變換器中的電磁噪音源,主要來自主開關(guān)器件的開關(guān)作用所產(chǎn)生的電壓、電流變化.變化速度越快,電磁噪音越大.
關(guān)注點九:設(shè)計和測試技術(shù)
建模、仿真和CAD是一種新的設(shè)計工具.為仿真電源系統(tǒng),首先要樹立仿真模型,包括電力電子器件、變換器電路、數(shù)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(guān)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(shù)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(tǒng)一的多層次模型等.
電源系統(tǒng)的CAD,包括主電路和控制電路設(shè)計、器件選擇、參數(shù)最優(yōu)化、磁設(shè)計、熱設(shè)計、EMI設(shè)計和印制電路板設(shè)計、可*性預(yù)估、計算機(jī)輔助綜合和優(yōu)化設(shè)計等.用基于仿真的專家系統(tǒng)停止電源系統(tǒng)的CAD,可使所設(shè)計的系統(tǒng)性能最優(yōu),減少設(shè)計制造費(fèi)用,并能做可制造性剖析,是21世紀(jì)仿真和CAD技術(shù)的開展方向之一.此外,電源系統(tǒng)的熱測試、EMI測試、可*性測試等技術(shù)的開發(fā)、研討與應(yīng)用也是應(yīng)鼎力開展的.
關(guān)注點十:系統(tǒng)集成技術(shù)
電源設(shè)備的制造特性是:非規(guī)范件多、勞動強(qiáng)度大、設(shè)計周期長、本錢高、可*性低等,而用戶請求制造廠消費(fèi)的電源產(chǎn)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(chǎn)品的規(guī)范化、模塊化、可制造性、范圍消費(fèi)、降低本錢等目的得以完成. 實踐上,在電源集成技術(shù)的開展進(jìn)程中,曾經(jīng)閱歷了電力半導(dǎo)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(shù))等開展階段.近年來的開展方向是將小功率電源系統(tǒng)集成在一個芯片上,能夠使電源產(chǎn)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(shù).在此根底上,能夠完成一體化,一切元器件連同控制維護(hù)集成在一個模塊中.
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