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开关电源技术发展的十个关注点

日期:2017年3月14日 19:07

上世纪60年月,开关电源的问世,使其逐渐庖代了线性稳压电源和SCR相控电源。40多年来,开关电源手艺有了飞迅生长和转变,阅历了功率半导体器件、高频化和硬开关手艺、开关电源体系的集成手艺三个发展阶段。  
功率半导体器件从双极型器件(BPT、SCR、GTO)生长为MOS型器件(功率MOSFET、IGBT、IGCT等),使电力电子系统有可能实现高频化,并大幅度低落导通消耗,电路也更加简朴。  自上世纪80年月最先,高频化和硬开关手艺的开辟研讨,使功率变换器机能更好、重量更沉、尺寸更小。高频化和硬开关手艺是已往20年国际电力电子界研讨的热点之一。  上世纪90年月中期,集成电力电子系统和集成电力电子模块(IPEM)手艺最先生长,它是现今国际电力电子界亟待处理的新问题之一。


关注点一:功率半导体器件机能  1998年,Infineon公司推出热MOS管,它接纳“超等结”(Super-Junction)构造,故又称超结功率MOSFET。事情电压600V~800V,通态电阻险些低落了一个数量级,仍连结开关速度快的特性,是一种有发展前途的高频功率半导体器件。  IGBT刚出现时,电压、电流额定值只要600V、25A。很少一段时间内,耐压程度限于1200V~1700V,经由长时间的探究研讨和革新,如今IGBT的电压、电流额定值已离别到达3300V/1200A和4500V/1800A,高压IGBT单片耐压已到达6500V,一样平常IGBT的事情频次上限为20kHz~40kHz,基于穿通(PT)型构造运用新技术制造的IGBT,可事情于150kHz(硬开关)和300kHz(硬开关)。  IGBT的手艺希望实际上是通态压降,快速开关和下耐压才能三者的折衷。跟着工艺和构造情势的差别,IGBT正在20年历史生长历程中,有以下几品种型:穿通(PT)型、非穿通(NPT)型、软穿通(SPT)型、沟漕型和电场停止(FS)型。碳化硅SiC是功率半导体器件晶片的幻想质料,其长处是:禁带宽、工作温度下(可达600℃)、热稳定性好、通态电阻小、导热机能好、泄电流极小、PN结耐压高档,有利于制造出耐高温的高频大功率半导体器件。  能够预感,碳化硅将是21世纪最能够胜利运用的新型功率半导体器件质料。


关注点二:开关电源功率密度  进步开关电源的功率密度,使之小型化、沉量化,是人们络续勤奋寻求的目的。电源的高频化是国际电力电子界研讨的热点之一。电源的小型化、减轻重量对便携式电子设备(如移动电话,数字相机等)尤其主要。使开关电源小型化的具体办法有:  
           一是高频化。为了实现电源下功率密度,必需进步PWM变换器的事情频次、从而减小电路中储能元件的体积重量。  
          二是运用压电变压器。运用压电变压器可使高频功率变换器实现沉、小、薄和下功率密度。  压电变压器应用压电陶瓷材料特有的“电压-振动”变更和“振动-电压”变更的性子传送能量,其等效电路犹如一个串并联谐振电路,是功率变更范畴的研讨热点之一。  
          三是接纳新型电容器。为了减小电力电子设备的体积和重量,必需想法革新电容器的机能,进步能量密度,并研讨开辟适合于电力电子及电源体系用的新型电容器,要求电容量大、等效串连电阻ESR小、体积小等。
 

关注点三:高频磁取同步整流手艺  电源体系中运用大量磁元件,高频磁元件的质料、构造和机能皆不同于工频磁元件,有很多题目需求研讨。对高频磁元件所用磁性材料有如下要求:消耗小,散热机能好,磁性能优胜。适用于兆赫级频次的磁性材料为人们所存眷,纳米结晶硬磁质料也已开辟运用。  高频化今后,为了进步开关电源的效力,必需开辟和运用硬开关手艺。它是已往几十年国际电源界的一个研讨热点。  关于低电压、大电流输出的硬开关变换器,进一步进步其效力的步伐是想法低落开关的通态消耗。比方同步整流SR手艺,即以功率MOS管反接作为整流用开关二极管,替代萧特基二极管(SBD),可低落管压降,从而进步电路效力。


关注点四:散布电源构造  散布电源体系适合于用作超高速集成电路构成的大型工作站(如图象处置惩罚站)、大型数字电子交流体系等的电源,其长处是:可实现DC/DC变换器组件模块化;轻易实现N+1功率冗余,进步体系可*性;易于扩增负载容量;可低落48V母线上的电流和电压降;轻易做到热散布匀称、便于散热设想;瞬态相应好;可在线改换生效模块等。如今散布电源体系有两种构造范例,一是两级构造,另一种是三级构造。
 

关注点五:PFC变换器  因为AC/DC变更电路的输入端有整流元件和滤波电容,正在正弦电压输入时,单相整流电源供电的电子设备,电网侧(交换输入端)功率因数仅为0.6~0.65。接纳PFC(功率因数校订)变换器,网侧功率因数可进步到0.95~0.99,输入电流THD小于10%。既管理了电网的谐波净化,又进步了电源的整体效力。那一手艺称为有源功率因数校订APFC单相APFC国内外开辟较早,手艺已较成熟;三相APFC的拓扑范例和掌握战略固然曾经有许多种,但借有待继承研讨生长。  一样平常下功率因数AC/DC开关电源,由两级拓扑构成,关于小功率AC/DC开关电源来讲,接纳两级拓扑构造整体效力低、本钱下。  若是对输入端功率因数要求不稀奇下时,将PFC变换器和后级DC/DC变换器组合成一个拓扑,组成单级高功率因数AC/DC开关电源,只用一个主开关管,可使功率因数校订到0.8以上,并使输出直流电压可调,这类拓扑构造称为单管单级即S4PFC变换器。
 

关注点六:电压调节器模块VRM  电压调节器模块是一类低电压、大电流输出DC-DC变换器模块,背微处理器供应电源。如今数据处理系统的速度和效力日趋进步,为低落微处理器IC的电场强度和功耗,必需低落逻辑电压,新一代微处理器的逻辑电压已低落至1V,而电流则高达50A~100A,以是对VRM的要求是:输出电压很低、输出电流大、电流转变率下、快速相应等。


关注点七:齐数字化掌握  电源的掌握已经过模仿掌握,模数混淆掌握,进入到齐数字控制阶段。齐数字控制是一个新的发展趋势,曾经正在很多功率变更装备中获得运用。  然则已往数字控制正在DC/DC变换器顶用得较少。远两年来,电源的下机能齐数字控制芯片曾经开辟,用度也已降到对照公道的程度,西欧已有多家公司开辟并制造出开关变换器的数字控制芯片及软件。  齐数字控制的长处是:数字信号取混淆模数旌旗灯号比拟能够标定更小的量,芯片价钱也更昂贵;对电流检测偏差能够停止准确的数字校订,电压检测也更准确;能够实现快速,天真的掌握设想。
 

关注点八:电磁兼容性  高频开关电源的电磁兼容EMC题目有其特殊性。功率半导体开关管正在开关历程中发生的di/dt和dv/dt,引发壮大的传导电磁滋扰和谐波滋扰。有些状况借会引发强电磁场(一般是近场)辐射。不只严峻净化四周电磁情况,对四周的电气设备形成电磁滋扰,借能够危及四周操纵职员的平安。同时,电力电子电路(如开关变换器)内部的控制电路也必需能蒙受开关行动发生的EMI及运用现场电磁噪声的滋扰。上述特殊性,再加上EMI丈量上的详细难题,正在电力电子的电磁兼容范畴里,存在着很多交*科学的前沿课题有待人们研讨。国内外很多大学均展开了电力电子电路的电磁滋扰和电磁兼容性问题的研讨,并与得了很多可喜结果。远几年研究成果注解,开关变换器中的电磁乐音源,重要去自立开关器件的开关感化所发生的电压、电流转变。转变速度越快,电磁乐音越大。
 

关注点九:设想和测试手艺  建模、仿真和CAD是一种新的设想东西。为仿真电源体系,起首要竖立仿真模子,包孕电力电子器件、变换器电路、数字和模仿控制电路和磁元件和磁场散布模子等,还要思索开关管的热模子、可*性模子和EMC模子。种种模子差异很大,建模的发展方向是:数字-模仿混淆建模、混淆条理建模和将种种模子构成一个同一的多层次模子等。电源体系的CAD,包孕主电路和控制电路设想、器件挑选、参数最优化、磁设想、热设想、EMI设想和印制电路板设想、可*性预估、计算机辅助综合和优化设想等。用基于仿真的专家系统停止电源体系的CAD,可使所设想的系统性能最优,削减设想制造用度,并能做可制造性剖析,是21世纪仿真和CAD手艺的发展方向之一。另外,电源体系的热测试、EMI测试、可*性测试等手艺的开辟、研讨取运用也是应大力发展的。
 

关注点十:系统集成手艺  电源装备的制造特性是:非标准件多、劳动强度大、设想周期少、本钱下、可*性低等,而用户要求制造厂消费的电源产物越发适用、可*性更高、更轻小、本钱更低。这些状况使电源制造厂家蒙受伟大压力,迫切需要展开集成电源模块的研讨开辟,使电源产物的标准化、模块化、可制造性、范围消费、降低成本等目的得以实现。实际上,正在电源集成手艺的生长历程中,曾经阅历了电力半导体器件模块化,功率取控制电路的集成化,集成无源元件(包孕磁集成手艺)等发展阶段。近年来的发展方向是将小功率电源系统集成正在一个芯片上,能够使电源产物更加松散,体积更小,也减小了引线长度,从而减小了寄生参数。在此基础上,能够实现一体化,一切元器件连同掌握珍爱集成正在一个模块中。  上世纪90年月,跟着大规模散布电源体系的生长,一体化的设想看法被推行到更大容量、更高电压的电源系统集成,进步了集成度,泛起了集成电力电子模块(IPEM)。IPEM将功率器件取电路、掌握和检测、实行等元件集成封装,获得尺度的,可制造的模块,既可用于尺度设想,也可用于公用、特别设想。长处是可快速高效为用户供应产物,明显降低成本,进步可*性。  总之,电源系统集成是现今国际电力电子界亟待处理的新问题之一。

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