开关电源技术发展的十个关注点

上世纪60年代,开关电源的问世,使其逐渐取代了线性稳压电源和SCR相控电源.40多年来,开关电源技术有了飞迅开展和变化,阅历了功率半导体器件、高频化和软开关技术、开关电源系统的集成技术三个开展阶段.

功率半导体器件从双极型器件(BPT、SCR、GTO)开展为MOS型器件(功率MOSFET、IGBT、IGCT等),使电力电子系统有可能完成高频化,并大幅度降低导通损耗,电路也更为简单.  

自上世纪80年代开端,高频化和软开关技术的开发研讨,使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小.高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研讨的热点之一.  

上世纪90年代中期,集成电力电子系统和集成电力电子模块(IPEM)技术开端开展,它是当今国际电力电子界亟待处理的新问题之一.  

关注点一:功率半导体器件性能  

1998年,Infineon公司推出冷mos管,它采用\"超级结\"(Super-Junction)构造,故又称超结功率MOSFET.工作电压600V~800V,通态电阻简直降低了一个数量级,仍坚持开关速度快的特性,是一种有开展出路的高频功率半导体器件.  

IGBT刚呈现时,电压、电流额定值只要600V、25A.很长一段时间内,耐压程度限于1200V~1700V,经过长时间的探究研讨和改良,如今IGBT的电压、电流额定值已分别到达3300V/1200A和4500V/1800A,高压IGBT单片耐压已到达6500V,普通IGBT的工作频率上限为20kHz~40kHz,基于穿通(PT)型构造应用新技术制造的IGBT,可工作于150kHz(硬开关)和300kHz(软开关).  

IGBT的技术停顿实践上是通态压降,快速开关和高耐压才能三者的折中.随着工艺和构造方式的不同,IGBT在20年历史开展进程中,有以下几品种型:穿通(PT)型、非穿通(NPT)型、软穿通(SPT)型、沟漕型和电场截止(FS)型.  

碳化硅SiC是功率半导体器件晶片的理想资料,其优点是:禁带宽、工作温度高(可达600℃)、热稳定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、PN结耐压高等,有利于制造出耐高温的高频大功率半导体器件.  

能够预见,碳化硅将是21世纪最可能胜利应用的新型功率半导体器件资料.  

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、轻量化,是人们不时努力追求的目的.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(如挪动电话,数字相机等)尤为重要.使开关电源小型化的详细方法有:  

一是高频化.为了完成电源高功率密度,必需进步PWM变换器的工作频率、从而减小电路中储能元件的体积重量.  

二是应用压电变压器.应用压电变压器可使高频功率变换器完成轻、小、薄和高功率密度.压电变压器应用压电陶瓷资料特有的\"电压-振动\"变换和\"振动-电压\"变换的性质传送能量,其等效电路好像一个串并联谐振电路,是功率变换范畴的研讨热点之一.  

三是采用新型电容器.为了减小电力电子设备的体积和重量,必需设法改良电容器的性能,进步能量密度,并研讨开发合适于电力电子及电源系统用的新型电容器,请求电容量大、等效串联电阻ESR小、体积小等.  

关注点三:高频磁与同步整流技术  

电源系统中应用大量磁元件,高频磁元件的资料、构造和性能都不同于工频磁元件,有许多问题需求研讨.对高频磁元件所用磁性资料有如下请求:损耗小,散热性能好,磁性能优越.适用于兆赫级频率的磁性资料为人们所关注,纳米结晶软磁资料也已开发应用.  

高频化以后,为了进步开关电源的效率,必需开发和应用软开关技术.它是过去几十年国际电源界的一个研讨热点.  

关于低电压、大电流输出的软开关变换器,进一步进步其效率的措施是设法降低开关的通态损耗.例好像步整流SR技术,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),可降低管压降,从而进步电路效率.  

关注点四:散布电源构造  

散布电源系统合适于用作超高速集成电路组成的大型工作站(如图像处置站)、大型数字电子交流系统等的电源,其优点是:可完成DC/DC变换器组件模块化;容易完成N+1功率冗余,进步系统可*性;易于扩增负载容量;可降低48V母线上的电流和电压降;容易做到热散布平均、便于散热设计;瞬态响应好;可在线改换失效模块等.  

如今散布电源系统有两种构造类型,一是两级构造,另一种是三级构造.  

关注点五:PFC变换器  

由于AC/DC变换电路的输入端有整流元件和滤波电容,在正弦电压输入时,单相整流电源供电的电子设备,电网侧(交流输入端)功率因数仅为0.6~0.65.采用PFC(功率因数校正)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污染,又进步了电源的整体效率.这一技术称为有源功率因数校正APFC单相APFC国内外开发较早,技术已较成熟;三相APFC的拓扑类型和控制战略固然曾经有很多种,但还有待继续研讨开展.  

普通高功率因数AC/DC开关电源,由两级拓扑组成,关于小功率AC/DC开关电源来说,采用两级拓扑构造总体效率低、本钱高.  

假如对输入端功率因数请求不特别高时,将PFC变换器和后级DC/DC变换器组合成一个拓扑,构成单级高功率因数AC/DC开关电源,只用一个主开关管,可使功率因数校正到0.8以上,并使输出直流电压可调,这种拓扑构造称为单管单级即S4PFC变换器.  

关注点六:电压调理器模块VRM  

电压调理器模块是一类低电压、大电流输出DC-DC变换器模块,向微处置器提供电源.

如今数据处置系统的速度和效率日益进步,为降卑微处置器IC的电场强度和功耗,必需降低逻辑电压,新一代微处置器的逻辑电压已降低至1V,而电流则高达50A~100A,所以对VRM的请求是:输出电压很低、输出电流  
大、电流变化率高、快速响应等.  

关注点七:全数字化控制  

电源的控制曾经由模仿控制,模数混合控制,进入到全数字控制阶段.全数字控制是一个新的开展趋向,曾经在许多功率变换设备中得到应用.  

但是过去数字控制在DC/DC变换器中用得较少.近两年来,电源的高性能全数字控制芯片曾经开发,费用也已降到比拟合理的程度,欧美已有多家公司开发并制造出开关变换器的数字控制芯片及软件.  

全数字控制的优点是:数字信号与混合模数信号相比能够标定更小的量,芯片价钱也更低廉;对电流检测误差能够停止准确的数字校正,电压检测也更准确;能够完成快速,灵敏的控制设计.  

关注点八:电磁兼容性  

高频开关电源的电磁兼容EMC问题有其特殊性.功率半导体开关管在开关过程中产生的di/dt和dv/dt,惹起强大的传导电磁干扰调和波干扰.有些状况还会惹起强电磁场(通常是近场)辐射.不但严重污染四周电磁环境,对左近的电气设备形成电磁干扰,还可能危及左近操作人员的平安.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接受开关动作产生的EMI及应用现场电磁噪声的干扰.上述特殊性,再加上EMI丈量上的详细艰难,在电力电子的电磁兼容范畴里,存在着许多交*科学的前沿课题有待人们研讨.国内外许多大学均展开了电力电子电路的电磁干扰和电磁兼容性问题的研讨,并获得了不少可喜成果.近几年研讨成果标明,开关变换器中的电磁噪音源,主要来自主开关器件的开关作用所产生的电压、电流变化.变化速度越快,电磁噪音越大.  

关注点九:设计和测试技术  

建模、仿真和CAD是一种新的设计工具.为仿真电源系统,首先要树立仿真模型,包括电力电子器件、变换器电路、数字和模仿控制电路以及磁元件和磁场散布模型等,还要思索开关管的热模型、可*性模型和EMC模型.各种模型差异很大,建模的开展方向是:数字-模仿混合建模、混合层次建模以及将各种模型组成一个统一的多层次模型等.  

电源系统的CAD,包括主电路和控制电路设计、器件选择、参数最优化、磁设计、热设计、EMI设计和印制电路板设计、可*性预估、计算机辅助综合和优化设计等.用基于仿真的专家系统停止电源系统的CAD,可使所设计的系统性能最优,减少设计制造费用,并能做可制造性剖析,是21世纪仿真和CAD技术的开展方向之一.此外,电源系统的热测试、EMI测试、可*性测试等技术的开发、研讨与应用也是应鼎力开展的.  

关注点十:系统集成技术  

电源设备的制造特性是:非规范件多、劳动强度大、设计周期长、本钱高、可*性低等,而用户请求制造厂消费的电源产品愈加适用、可*性更高、更轻小、本钱更低.这些状况使电源制造厂家接受宏大压力,迫切需求展开集成电源模块的研讨开发,使电源产品的规范化、模块化、可制造性、范围消费、降低本钱等目的得以完成. 实践上,在电源集成技术的开展进程中,曾经阅历了电力半导体器件模块化,功率与控制电路的集成化,集成无源元件(包括磁集成技术)等开展阶段.近年来的开展方向是将小功率电源系统集成在一个芯片上,能够使电源产品更为紧凑,体积更小,也减小了引线长度,从而减小了寄生参数.在此根底上,能够完成一体化,一切元器件连同控制维护集成在一个模块中.


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