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開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的十大關(guān)注點(diǎn)

2019-06-01 08:19:49      點(diǎn)擊:
  開(kāi)關(guān)電源一直是電子行業(yè)里非常熱門(mén)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(wèn)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)做了項開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展關(guān)注焦點(diǎn)調查,得出來(lái)以下十個(gè)熱門(mén)關(guān)注點(diǎn)。
  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)結構,故又稱(chēng)超結功率 MOSFET。工作電壓600V~800V,通態(tài)電阻幾乎降低了一個(gè)數量級,仍保持開(kāi)關(guān)速度快的特點(diǎn),是一種有發(fā)展前途的高頻功率半導體電子器件。
  IGBT剛出現時(shí),電壓、電流額定值只有600V、25A。很長(cháng)一段時(shí)間內,耐壓水平限于1200V~1700V,經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的探索研究和改進(jìn),現在 IGBT的電壓、電流額定值已分別達到3300V/1200A和4500V/1800A,高壓IGBT單片耐壓已達到6500V,一般IGBT的工作頻率上限為20kHz~40kHz,基于穿通(PT)型結構應用新技術(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)進(jìn)展實(shí)際上是通態(tài)壓降,快速開(kāi)關(guān)和高耐壓能力三者的折中。隨著(zhù)工藝和結構形式的不同,IGBT在20年歷史發(fā)展進(jìn)程中,有以下幾種類(lèi)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材料,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電子元器件。
  專(zhuān)家指出碳化硅將是21世紀最可能成功應用的新型功率半導體器件材料。
  關(guān)注點(diǎn)二:開(kāi)關(guān)電源功率密度
  提高開(kāi)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。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、減輕重量對便攜式電子設備(如移動(dòng)電話(huà),數字相機等)尤為重要。使開(kāi)關(guān)電源小型化的具體辦法有:
  一是高頻化。為了實(shí)現電源高功率密度,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實(shí)現輕、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備的體積和重量,必須設法改進(jìn)電容器的性能,提高能量密度,并研究開(kāi)發(fā)適合于電力電子及電源系統用的新型電容器,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)
  電源系統中應用大量磁元件,高頻磁元件的材料、結構和性能都不同于工頻磁元件,有許多問(wèn)題需要研究。對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。適用于兆赫級頻率的磁性材料為人們所關(guān)注,納米結晶軟磁材料也已開(kāi)發(fā)應用。
  高頻化以后,為了提高開(kāi)關(guān)電源的效率,必須開(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)研究熱點(diǎn)。
  對于低電壓、大電流輸出的軟開(kāi)關(guān)變換器,進(jìn)一步提高其效率的措施是設法降低開(kāi)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(kāi)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:分布電源結構
  分布電源系統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)、大型數字電子交換系統等的電源,其優(yōu)點(diǎn)是:可實(shí)現 DC/DC變換器組件模塊化;容易實(shí)現N+1功率冗余,易于擴增負載容量;可降低48V母線(xiàn)上的電流和電壓降;容易做到熱分布均勻、便于散熱 設計;瞬態(tài)響應好;可在線(xiàn)更換失效模塊等。
  現在分布電源系統有兩種結構類(lèi)型,一是兩級結構,另一種是三級結構。
  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(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)型和控制策略雖然已經(jīng)有很多種,但還有待繼續研究發(fā)展。
  一般高功率因數AC/DC開(kāi)關(guān)電源,由兩級拓撲組成,對于小功率AC/DC開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō),采用兩級拓撲結構總體效率低、成本高。
  如果對輸入端功率因數要求不特別高時(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,這種拓撲結構稱(chēng)為單管單級即S4PFC變換器。
  關(guān)注點(diǎn)六:電壓調節器模塊VRM
  電壓調節器模塊是一類(lèi)低電壓、大電流輸出DC-DC變換器模塊,向微處理器提供電源。
  現在數據處理系統的速度和效率日益提高,為降低微處理器IC的電場(chǎng)強度和功耗,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50A~100A,所以對VRM的要求是:輸出電壓很低、輸出電流大、電流變化率高、快速響應等。
  關(guān)注點(diǎn)七:全數字化控制
  電源的控制已經(jīng)由模擬控制,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)新的發(fā)展趨勢,已經(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已經(jīng)開(kāi)發(fā),費用也已降到比較合理的水平,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可以標定更小的量,芯片價(jià)格也更低廉;對電流檢測誤差可以進(jìn)行精確的數字校正,電壓檢測也更精確;可以實(shí)現快速,靈活的控制設計。
  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,引起強大的傳導電磁干擾和諧波干擾。有些情況還會(huì )引起強電磁場(chǎng)(通常是近場(chǎng))輻射。不但嚴重污染周?chē)姶怒h(huán)境,對附近的電氣設備造成電磁干擾,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(kāi)關(guān)變換器)內部的控制電路也必須能承受開(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(zhù)許多交*科學(xué)的前沿課題有待人們研究。國內外許多大學(xué)均開(kāi)展了電力電子電路的電磁干擾和電磁兼容性問(wèn)題的研究,并取得了不少可喜成果。近幾年研究成果表明,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,首先要建立仿真模型,包括電力電子器件、變換器電路、數字和模擬控制電路以及磁元件和磁場(chǎng)分布模型等,還要考慮開(kāi)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)家系統進(jìn)行電源系統的CAD,可使所設計的系統性能最優(yōu),減少設計制造費用,并能做可制造性分析,是21世紀仿真和CAD技術(shù)的發(fā)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)、研究與應用也是應大力發(fā)展的。
  關(guān)注點(diǎn)十:系統集成技術(shù)
  電源設備的制造特點(diǎn)是:非標準件多、勞動(dòng)強度大、設計周期長(cháng)、成本高、可*性低等,而用戶(hù)要求制造廠(chǎng)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(chǎng)家承受巨大壓力,迫切需要開(kāi)展集成電源模塊的研究開(kāi)發(fā),使電源產(chǎn)品的標準化、模塊化、可制造性、規模生產(chǎn)、降低成本等目標得以實(shí)現。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))等發(fā)展階段。近年來(lái)的發(fā)展方向是將小功率電源系統集成在一個(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(xiàn)長(cháng)度,從而減小了寄生參數。在此基礎上,可以實(shí)現一體化,所有元器件連同控制保護集成在一個(gè)模塊中。
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