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        開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的十大關(guān)注點(diǎn)

        發(fā)布時(shí)間: 2016-05-25 16:21:24    關(guān)注量:1929

          開關(guān)電源一直是電子行業(yè)里非常熱門的技術(shù),而它的發(fā)展趨勢又是大家必須時(shí)刻關(guān)注的問題,不然一不留神就會(huì)跟不上技術(shù)發(fā)展的步伐。電子元件技術(shù)網(wǎng)做了項(xiàng)開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展關(guān)注焦點(diǎn)調(diào)查,得出來以下十個(gè)熱門關(guān)注點(diǎn)。

          關(guān)注點(diǎn)一:功率半導(dǎo)體器件性能
          IGBT剛出現(xiàn)時(shí),電壓、電流額定值只有600V、25A。很長一段時(shí)間內(nèi),耐壓水平限于1200V~1700V,經(jīng)過長時(shí)間的探索研究和改進(jìn),現(xiàn)在 IGBT的電壓、電流額定值已分別達(dá)到3300V/1200A和4500V/1800A,高壓IGBT單片耐壓已達(dá)到6500V,一般IGBT的工作頻率上限為20kHz~40kHz,基于穿通(PT)型結(jié)構(gòu)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)進(jìn)展實(shí)際上是通態(tài)壓降,快速開關(guān)和高耐壓能力三者的折中。隨著工藝和結(jié)構(gòu)形式的不同,IGBT在20年歷史發(fā)展進(jìn)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)體器件晶片的理想材料,其優(yōu)點(diǎn)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)體電子元器件。

          關(guān)注點(diǎn)二:開關(guān)電源功率密度
          提高開關(guān)電源的功率密度,使之小型化、輕量化,是人們不斷努力追求的目標(biāo)。電源的高頻化是國際電力電子界研究的熱點(diǎn)之一。電源的小型化、減輕重量對(duì)便攜式電子設(shè)備(如移動(dòng)電話,數(shù)字相機(jī)等)尤為重要。使開關(guān)電源小型化的具體辦法有:

          一是高頻化。為了實(shí)現(xiàn)電源高功率密度,必須提高PWM變換器的工作頻率、從而減小電路中儲(chǔ)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實(shí)現(xiàn)輕、小、薄和高功率密度。壓電變壓器利用壓電陶瓷材料特有的 “電壓-振動(dòng)”變換和“振動(dòng)- 電壓”變換的性質(zhì)傳送能量,其等效電路如同一個(gè)串并聯(lián)諧振電路,是功率變換領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)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,必須設(shè)法改進(jìn)電容器的性能,提高能量密度,并研究開發(fā)適合于電力電子及電源系統(tǒng)用的新型電容器,要求電容量大、等效串聯(lián)電阻ESR 小、體積小等。

          關(guān)注點(diǎn)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,高頻磁元件的材料、結(jié)構(gòu)和性能都不同于工頻磁元件,有許多問題需要研究。對(duì)高頻磁元件所用磁性材料有如下要求:損耗小,散熱性能好,磁性能優(yōu)越。適用于兆赫級(jí)頻率的磁性材料為人們所關(guān)注,納米結(jié)晶軟磁材料也已開發(fā)應(yīng)用。

          高頻化以后,為了提高開關(guān)電源的效率,必須開發(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(gè)研究熱點(diǎn)。

          對(duì)于低電壓、大電流輸出的軟開關(guān)變換器,進(jìn)一步提高其效率的措施是設(shè)法降低開關(guān)的通態(tài)損耗。例如同步整流SR技術(shù),即以功率MOS管反接作為整流用開關(guān)二極管,代替蕭特基二極管(SBD),可降低管壓降,從而提高電路效率。

          關(guān)注點(diǎn)四:分布電源結(jié)構(gòu)
          分布電源系統(tǒng)適合于用作超高速集成電路組成的大型工作站(如圖像處理站)、大型數(shù)字電子交換系統(tǒng)等的電源,其優(yōu)點(diǎn)是:可實(shí)現(xiàn) DC/DC變換器組件模塊化;容易實(shí)現(xiàn)N+1功率冗余,易于擴(kuò)增負(fù)載容量;可降低48V母線上的電流和電壓降;容易做到熱分布均勻、便于散熱 設(shè)計(jì);瞬態(tài)響應(yīng)好;可在線更換失效模塊等。

          現(xiàn)在分布電源系統(tǒng)有兩種結(jié)構(gòu)類型,一是兩級(jí)結(jié)構(gòu),另一種是三級(jí)結(jié)構(gòu)。

          關(guān)注點(diǎn)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(shí),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)可提高到0.95~0.99,輸入電流THD小于10%。既治理了電網(wǎng)的諧波污染,又提高了電源的整體效率。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)漕愋秃涂刂撇呗噪m然已經(jīng)有很多種,但還有待繼續(xù)研究發(fā)展。

          一般高功率因數(shù)AC/DC開關(guān)電源,由兩級(jí)拓?fù)浣M成,對(duì)于小功率AC/DC開關(guān)電源來說,采用兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總體效率低、成本高。

          如果對(duì)輸入端功率因數(shù)要求不特別高時(shí),將PFC變換器和后級(jí)DC/DC變換器組合成一個(gè)拓?fù)?,?gòu)成單級(jí)高功率因數(shù)AC/DC開關(guān)電源,只用一個(gè)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)浣Y(jié)構(gòu)稱為單管單級(jí)即S4PFC變換器。

          關(guān)注點(diǎn)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變換器模塊,向微處理器提供電源。

          現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的速度和效率日益提高,為降低微處理器IC的電場強(qiáng)度和功耗,必須降低邏輯電壓,新一代微處理器的邏輯電壓已降低至1V,而電流則高達(dá)50A~100A,所以對(duì)VRM的要求是: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(diǎn)七:全數(shù)字化控制
          電源的控制已經(jīng)由模擬控制,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(gè)新的發(fā)展趨勢,已經(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)字控制芯片已經(jīng)開發(fā),費(fèi)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(diǎn)是:數(shù)字 信號(hào)與混合模數(shù)信號(hào)相比可以標(biāo)定更小的量,芯片價(jià)格也更低廉;對(duì)電流檢測誤差可以進(jìn)行數(shù)字校正,電壓檢測也更精確;可以實(shí)現(xiàn)快速,靈活的控制設(shè)計(jì)。

          關(guān)注點(diǎn)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,引起強(qiáng)大的傳導(dǎo)電磁干擾和諧波干擾。有些情況還會(huì)引起強(qiáng)電磁場(通常是近場)輻射。不但嚴(yán)重污染周圍電磁環(huán)境,對(duì)附近的電氣設(shè)備造成電磁干擾,還可能危及附近操作人員的安全。同時(shí),電力電子電路(如開關(guān)變換器)內(nèi)部的控制電路也必須能承受開關(guān)動(dòng)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測量上的具體困難,在電力電子的電磁兼容領(lǐng)域里,存在著許多交*科學(xué)的前沿課題有待人們研究。國內(nèi)外許多大學(xué)均開展了電力電子電路的電磁干擾和電磁兼容性問題的研究,并取得了不少可喜成果。近幾年研究成果表明,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(diǎn)九:設(shè)計(jì)和測試技術(shù)
          建模、仿真和CAD是一種新的設(shè)計(jì)工具。為仿真電源系統(tǒng),首先要建立仿真模型,包括電力電子器件、變換器電路、數(shù)字和模擬控制電路以及磁元件和磁場分布模型等,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,建模的發(fā)展方向是:數(shù)字-模擬混合建模、混合層次建模以及將各種模型組成一個(gè)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(jì)、器件選擇、參數(shù)優(yōu)化、磁設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、EMI設(shè)計(jì)和印制電路板設(shè)計(jì)、可*性預(yù)估、計(jì)算機(jī)輔助綜合和優(yōu)化設(shè)計(jì)等。用基于仿真的系統(tǒng)進(jìn)行電源系統(tǒng)的CAD,可使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能優(yōu),減少設(shè)計(jì)制造費(fèi)用,并能做可制造性分析,是21世紀(jì)仿真和CAD技術(shù)的發(fā)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)、研究與應(yīng)用也是應(yīng)大力發(fā)展的。

          關(guān)注點(diǎn)十:系統(tǒng)集成技術(shù)

          電源設(shè)備的制造特點(diǎn)是:非標(biāo)準(zhǔn)件多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、設(shè)計(jì)周期長、成本高、可*性低等,而用戶要求制造廠生產(chǎn)的電源產(chǎn)品更加實(shí)用、可*性更高、更輕小、成本更低。這些情況使電源制造廠家承受巨大壓力,迫切需要開展集成電源模塊的研究開發(fā),使電源產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、可制造性、規(guī)模生產(chǎn)、降低成本等目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。 實(shí)際上,在電源集成技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中,已經(jīng)經(jīng)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))等發(fā)展階段。近年來的發(fā)展方向是將小功率電源系統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上,可以使電源產(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)。在此基礎(chǔ)上,可以實(shí)現(xiàn)一體化,所有元器件連同控制保護(hù)集成在一個(gè)模塊中。



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