開關(guān)電源技術(shù)的十個關(guān)注點
上世紀(jì)60年代，開關(guān)電源的面世，使其逐漸替代了線性穩(wěn)壓電源和SCR相控電源。40多年來，開關(guān)電源技能有了飛迅展開和改變，閱歷了功率半導(dǎo)體器材、高頻化和軟開關(guān)技能、開關(guān)電源體系的集成技能三個展開階段。
功率半導(dǎo)體器材從雙極型器材(BPT、SCR、GTO)展開為MOS型器材(功率MOSFET、 IGBT、IGCT等)，使電力電子體系有可能完成高頻化，并大幅度下降導(dǎo)通損耗，電路也更為簡略。
自上世紀(jì)80年代開端，高頻化和軟開關(guān)技能的開發(fā)研討，使功率改換器功能更好、分量更輕、尺度更小。高頻化和軟開關(guān)技能是曩昔20年世界電力電子界研討的熱門之一。
上世紀(jì)90年代中期，集成電力電子體系和集成電力電子模塊(IPEM)技能開端展開，它是當(dāng)今世界電力電子界亟待解決的新問題之一。
關(guān)注點一：功率半導(dǎo)體器材功能
1998年，Infineon公司推出冷MOS管，它選用“超級結(jié)”(Super-Junction)結(jié)構(gòu)，故又稱超結(jié)功率MOSFET。作業(yè)電壓600V～800V，通態(tài)電阻簡直下降了一個數(shù)量級，仍堅持開關(guān)速度快的特色，是一種有展開前途的高頻功率半導(dǎo)體器材。
IGBT剛出現(xiàn)時，電壓、電流額定值只要600V、25A。很長一段時間內(nèi)，耐壓水平限于1200V～1700V，通過長期的探究研討和改善，現(xiàn)在IGBT的電壓、電流額定值已別離到達3300V/1200A和4500V/1800A，高壓IGBT單片耐壓已到達6500V，一般IGBT的作業(yè)頻率上限為20kHz～40kHz，根據(jù)穿通(PT)型結(jié)構(gòu)使用新技能制作的IGBT，可作業(yè)于150kHz(硬開關(guān))和300kHz(軟開關(guān))。
IGBT的技能進展實際上是通態(tài)壓降，快速開關(guān)和高耐壓能力三者的折中。跟著工藝和結(jié)構(gòu)方式的不同，IGBT在20年前史展開進程中，有以下幾種類型：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)體器材晶片的抱負資料，其長處是：禁帶寬、作業(yè)溫度高(可達600℃)、熱穩(wěn)定性好、通態(tài)電阻小、導(dǎo)熱功能好、漏電流極小、PN結(jié)耐壓高級，有利于制作出耐高溫的高頻大功率半導(dǎo)體器材。
能夠預(yù)見，碳化硅將是21世紀(jì)最可能成功使用的新式功率半導(dǎo)體器材資料。
關(guān)注點二：開關(guān)電源功率密度
進步開關(guān)電源的功率密度，使之小型化、輕量化，是人們不斷努力尋求的方針。電源的高頻化是世界電力電子界研討的熱門之一。電源的小型化、減輕分量對便攜式電子設(shè)備(如移動電話，數(shù)字相機等)尤為重要。使開關(guān)電源小型化的詳細辦法有：
一是高頻化。為了完成電源高功率密度，有必要進步PWM改換器的作業(yè)頻率、然后減小電路中儲能元件的體積分量。
二是使用壓電變壓器。使用壓電變壓器可使高頻功率改換器完成輕、小、薄和高功率密度。
壓電變壓器使用壓電陶瓷資料特有的“電壓-振蕩”改換和“振蕩-電壓”改換的性質(zhì)傳送能量，其等效電路好像一個串并聯(lián)諧振電路，是功率改換范疇的研討熱門之一。
三是選用新式電容器。為了減小電力電子設(shè)備的體積和分量，有必要設(shè)法改善電容器的功能，進步能量密度，并研討開發(fā)適合于電力電子及電源體系用的新式電容器，要求電容量大、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能
電源體系中使用很多磁元件，高頻磁元件的資料、結(jié)構(gòu)和功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要求：損耗小，散熱功能好，磁功能優(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)使用。
高頻化今后，為了進步開關(guān)電源的功率，有必要開發(fā)和使用軟開關(guān)技能。它是曩昔幾十年世界電源界的一個研討熱門。
關(guān)于低電壓、大電流輸出的軟開關(guān)改換器，進一步進步其功率的辦法是設(shè)法下降開關(guān)的通態(tài)損耗。例好像步整流SR技能，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)，可下降管壓降，然后進步電路功率。
關(guān)注點四：散布電源結(jié)構(gòu)
散布電源體系適合于用作超高速集成電路組成的大型作業(yè)站(如圖像處理站)、大型數(shù)字電子交換體系等的電源，其長處是：可完成DC/DC改換器組件模塊化；簡單完成N+1功率冗余，進步體系可*性；易于擴增負載容量；可下降48V母線上的電流和電壓降；簡單做到熱散布均勻、便于散熱規(guī)劃；瞬態(tài)呼應(yīng)好；可在線替換失效模塊等。
現(xiàn)在散布電源體系有兩種結(jié)構(gòu)類型，一是兩級結(jié)構(gòu)，另一種是三級結(jié)構(gòu)。
關(guān)注點五：PFC改換器
因為AC/DC改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)(溝通輸入端)功率因數(shù)僅為0.6～0.65。選用PFC(功率因數(shù)校對)改換器，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可進步到0.95～0.99，輸入電流THD小于10%。既治理了電網(wǎng)的諧波污染，又進步了電源的全體功率。這一技能稱為有源功率因數(shù)校對APFC單相APFC國內(nèi)外開發(fā)較早，技能已較成熟；三相APFC的拓撲類型和操控戰(zhàn)略盡管現(xiàn)已有很多種，但還有待持續(xù)研討展開。
一般高功率因數(shù)AC/DC開關(guān)電源，由兩級拓撲組成，關(guān)于小功率AC/DC開關(guān)電源來說，選用兩級拓撲結(jié)構(gòu)整體功率低、本錢高。
如果對輸入端功率因數(shù)要求不特別高時，將PFC改換器和后級DC/DC改換器組合成一個拓撲，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)校對到0.8以上，并使輸出直流電壓可調(diào)，這種拓撲結(jié)構(gòu)稱為單管單級即S4PFC改換器。
關(guān)注點六：電壓調(diào)節(jié)器模塊VRM
電壓調(diào)節(jié)器模塊是一類低電壓、大電流輸出DC-DC改換器模塊，向微處理器供給電源。
現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理體系的速度和功率日益進步，為下降微處理器IC的電場強度和功耗，有必要下降邏輯電壓，新一代微處理器的邏輯電壓已下降至1V，而電流則高達50A～100A，所以對VRM的要求是：輸出電壓很低、輸出電流大、電流改變率高、快速呼應(yīng)等。
關(guān)注點七：全數(shù)字化操控
電源的操控現(xiàn)已由模仿操控，模數(shù)混合操控，進入到全數(shù)字操控階段。全數(shù)字操控是一個新的展開趨勢，現(xiàn)已在許多功率改換設(shè)備中得到使用。
可是曩昔數(shù)字操控在DC/DC改換器中用得較少。近兩年來，電源的高功能全數(shù)字操控芯片現(xiàn)已開發(fā)，費用也已降到比較合理的水平，歐美已有多家公司開發(fā)并制作出開關(guān)改換器的數(shù)字操控芯片及軟件。
全數(shù)字操控的長處是：數(shù)字信號與混合模數(shù)信號相比能夠標(biāo)定更小的量，芯片價格也更低價；對電流檢測差錯能夠進行準(zhǔn)確的數(shù)字校對，電壓檢測也更準(zhǔn)確；能夠完成快速，靈敏的操控規(guī)劃。
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)過程中發(fā)生的di/dt和dv/dt，引起強壯的傳導(dǎo)電磁攪擾和諧波攪擾。有些狀況還會引起強電磁場(通常是近場)輻射。不光嚴(yán)重污染周圍電磁環(huán)境，對鄰近的電氣設(shè)備形成電磁攪擾，還可能危及鄰近操作人員的安全。一起，電力電子電路(如開關(guān)改換器)內(nèi)部的操控電路也有必要能接受開關(guān)動作發(fā)生的EMI及使用現(xiàn)場電磁噪聲的攪擾。上述特殊性，再加上EMI丈量上的詳細困難，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攪擾和電磁兼容性問題的研討，并取得了不少可喜成果。近幾年研討成果標(biāo)明，開關(guān)改換器中的電磁噪音源，首要來自主開關(guān)器材的開關(guān)效果所發(fā)生的電壓、電流改變。改變速度越快，電磁噪音越大。
關(guān)注點九：規(guī)劃和測驗技能
建模、仿真和CAD是一種新的規(guī)劃東西。為仿真電源體系，首先要樹立仿真模型，包含電力電子器材、改換器電路、數(shù)字和模仿操控電路以及磁元件和磁場散布模型等，還要考慮開關(guān)管的熱模型、可*性模型和EMC模型。各種模型差別很大，建模的展開方向是：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一致的多層次模型等。
電源體系的CAD，包含主電路和操控電路規(guī)劃、器材挑選、參數(shù)最優(yōu)化、磁規(guī)劃、熱規(guī)劃、EMI規(guī)劃和印制電路板規(guī)劃、可*性預(yù)估、計算機輔佐歸納和優(yōu)化規(guī)劃等。用根據(jù)仿真的專家體系進行電源體系的CAD，可使所規(guī)劃的體系功能最優(yōu)，減少規(guī)劃制作費用，并能做可制作性分析，是21世紀(jì)仿真和CAD技能的展開方向之一。此外，電源體系的熱測驗、EMI測驗、可*性測驗等技能的開發(fā)、研討與使用也是應(yīng)大力展開的。
關(guān)注點十：體系集成技能
電源設(shè)備的制作特色是：非規(guī)范件多、勞動強度大、規(guī)劃周期長、本錢高、可*性低一級，而用戶要求制作廠出產(chǎn)的電源產(chǎn)品愈加實用、可*性更高、更輕小、本錢更低。這些狀況使電源制作廠家接受巨大壓力，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、可制作性、規(guī)劃出產(chǎn)、下降本錢等方針得以完成。
實際上，在電源集成技能的展開進程中，現(xiàn)已閱歷了電力半導(dǎo)體器材模塊化，功率與操控電路的集成化，集成無源元件(包含磁集成技能)等展開階段。近年來的展開方向是將小功率電源體系集成在一個芯片上，能夠使電源產(chǎn)品更為緊湊，體積更小，也減小了引線長度，然后減小了寄生參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，能夠完成一體化，一切元器材連同操控保護集成在一個模塊中。
上世紀(jì)90年代，跟著大規(guī)劃散布電源體系的展開，一體化的規(guī)劃觀念被推行到更大容量、更高電壓的電源體系集成，進步了集成度，出現(xiàn)了集成電力電子模塊(IPEM)。IPEM將功率器材與電路、操控以及檢測、執(zhí)行等元件集成封裝，得到規(guī)范的，可制作的模塊，既可用于規(guī)范規(guī)劃，也可用于專用、特殊規(guī)劃。長處是可快速高效為用戶供給產(chǎn)品，明顯下降本錢，進步可*性。
總歸，電源體系集成是當(dāng)今世界電力電子界亟待解決的新問題之一。
| 【上一個】 逆變電源開關(guān)電源設(shè)計 | 【下一個】 分析大功率開關(guān)電源短路"嘯叫"的原因 |
| ^ 開關(guān)電源技術(shù)的十個關(guān)注點 | ^ 開關(guān)電源技術(shù)的十個關(guān)注點 |