開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的十個(gè)關(guān)注點(diǎn)
上世紀60年代,開(kāi)關(guān)電源的問(wèn)世,使其逐漸取代了線(xiàn)性穩壓電源和SCR相控電源.40多年來(lái),開(kāi)關(guān)電源技術(shù)有了飛迅開(kāi)展和變化,閱歷了功率半導體器件、高頻化和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、開(kāi)關(guān)電源系統的集成技術(shù)三個(gè)開(kāi)展階段.
功率半導體器件從雙極型器件(BPT、SCR、GTO)開(kāi)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(jiǎn)單.
自上世紀80年代開(kāi)端,高頻化和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的開(kāi)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(kāi)關(guān)技術(shù)是過(guò)去20年國際電力電子界研討的熱點(diǎn)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(shù)開(kāi)端開(kāi)展,它是當今國際電力電子界亟待處理的新問(wèn)題之一.
關(guān)注點(diǎn)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(chēng)超結功率MOSFET.工作電壓600V~800V,通態(tài)電阻簡(jiǎn)直降低了一個(gè)數量級,仍堅持開(kāi)關(guān)速度快的特性,是一種有開(kāi)展出路的高頻功率半導體器件.
IGBT剛呈現時(shí),電壓、電流額定值只要600V、25A.很長(cháng)一段時(shí)間內,耐壓程度限于1200V~1700V,經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)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(shù)制造的IGBT,可工作于150kHz(硬開(kāi)關(guān))和300kHz(軟開(kāi)關(guān)).
IGBT的技術(shù)停頓實(shí)踐上是通態(tài)壓降,快速開(kāi)關(guān)和高耐壓才能三者的折中.隨著(zhù)工藝和構造方式的不同,IGBT在20年歷史開(kāi)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(chǎng)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(diǎn)是:禁帶寬、工作溫度高(可達600℃)、熱穩定性好、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(jiàn),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(guān)注點(diǎn)二:開(kāi)關(guān)電源功率密度
進(jìn)步開(kāi)關(guān)電源的功率密度,使之小型化、輕量化,是人們不時(shí)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(diǎn)之一.電源的小型化、減輕重量對便攜式電子設備(如挪動(dòng)電話(huà),數字相機等)尤為重要.使開(kāi)關(guān)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(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(dòng)\"變換和\"振動(dòng)-電壓\"變換的性質(zhì)傳送能量,其等效電路好像一個(gè)串并聯(lián)諧振電路,是功率變換范疇的研討熱點(diǎn)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(jìn)步能量密度,并研討開(kāi)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(lián)電阻ESR小、體積小等.
關(guān)注點(diǎn)三:高頻磁與同步整流技術(shù)
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(wèn)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,納米結晶軟磁資料也已開(kāi)發(fā)應用.
高頻化以后,為了進(jìn)步開(kāi)關(guān)電源的效率,必需開(kāi)發(fā)和應用軟開(kāi)關(guān)技術(shù).它是過(guò)去幾十年國際電源界的一個(gè)研討熱點(diǎn).
關(guān)于低電壓、大電流輸出的軟開(kāi)關(guān)變換器,進(jìn)一步進(jìn)步其效率的措施是設法降低開(kāi)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(kāi)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(diǎn)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(diǎn)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)步系統可*性;易于擴增負載容量;可降低48V母線(xiàn)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(xiàn)改換失效模塊等.
如今散布電源系統有兩種構造類(lèi)型,一是兩級構造,另一種是三級構造.
關(guān)注點(diǎn)五:PFC變換器
由于A(yíng)C/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(shí),單相整流電源供電的電子設備,電網(wǎng)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(wǎng)側功率因數可進(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(chēng)為有源功率因數校正APFC單相APFC國內外開(kāi)發(fā)較早,技術(shù)已較成熟;三相APFC的拓撲類(lèi)型和控制戰略固然曾經(jīng)有很多種,但還有待繼續研討開(kāi)展.
普通高功率因數AC/DC開(kāi)關(guān)電源,由兩級拓撲組成,關(guān)于小功率AC/DC開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō),采用兩級拓撲構造總體效率低、本錢(qián)高.
假如對輸入端功率因數請求不特別高時(shí),將PFC變換器和后級DC/DC變換器組合成一個(gè)拓撲,構成單級高功率因數AC/DC開(kāi)關(guān)電源,只用一個(gè)主開(kāi)關(guān)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(chēng)為單管單級即S4PFC變換器.
關(guān)注點(diǎn)六:電壓調理器模塊VRM
電壓調理器模塊是一類(lèi)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(jìn)步,為降卑微處置器IC的電場(chǎng)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(guān)注點(diǎn)七:全數字化控制
電源的控制曾經(jīng)由模仿控制,模數混合控制,進(jìn)入到全數字控制階段.全數字控制是一個(gè)新的開(kāi)展趨向,曾經(jīng)在許多功率變換設備中得到應用.
但是過(guò)去數字控制在DC/DC變換器中用得較少.近兩年來(lái),電源的高性能全數字控制芯片曾經(jīng)開(kāi)發(fā),費用也已降到比擬合理的程度,歐美已有多家公司開(kāi)發(fā)并制造出開(kāi)關(guān)變換器的數字控制芯片及軟件.
全數字控制的優(yōu)點(diǎn)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(jià)錢(qián)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(guān)注點(diǎn)八:電磁兼容性
高頻開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容EMC問(wèn)題有其特殊性.功率半導體開(kāi)關(guān)管在開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)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(huì )惹起強電磁場(chǎng)(通常是近場(chǎng))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(shí),電力電子電路(如開(kāi)關(guān)變換器)內部的控制電路也必需能接受開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的EMI及應用現場(chǎng)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(zhù)許多交*科學(xué)的前沿課題有待人們研討.國內外許多大學(xué)均展開(kāi)了電力電子電路的電磁干擾和電磁兼容性問(wèn)題的研討,并獲得了不少可喜成果.近幾年研討成果標明,開(kāi)關(guān)變換器中的電磁噪音源,主要來(lái)自主開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)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(diǎn)九:設計和測試技術(shù)
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(shù)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(chǎng)散布模型等,還要思索開(kāi)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(kāi)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(gè)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(zhuān)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(shù)的開(kāi)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(shù)的開(kāi)發(fā)、研討與應用也是應鼎力開(kāi)展的.
關(guān)注點(diǎn)十:系統集成技術(shù)
電源設備的制造特性是:非規范件多、勞動(dòng)強度大、設計周期長(cháng)、本錢(qián)高、可*性低等,而用戶(hù)請求制造廠(chǎng)消費的電源產(chǎn)品愈加適用、可*性更高、更輕小、本錢(qián)更低.這些狀況使電源制造廠(chǎng)家接受宏大壓力,迫切需求展開(kāi)集成電源模塊的研討開(kāi)發(fā),使電源產(chǎn)品的規范化、模塊化、可制造性、范圍消費、降低本錢(qián)等目的得以完成. 實(shí)踐上,在電源集成技術(shù)的開(kāi)展進(jìn)程中,曾經(jīng)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(wú)源元件(包括磁集成技術(shù))等開(kāi)展階段.近年來(lái)的開(kāi)展方向是將小功率電源系統集成在一個(gè)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(xiàn)長(cháng)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(gè)模塊中.
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