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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(dá)3300V/1200A和4500V/1800A,高壓IGBT單片耐壓已到達(dá)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(jìn)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(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)體器材晶片的抱負(fù)資料,其長處是:禁帶寬、作業(yè)溫度高(可達(dá)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(jìn)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(jī)等)尤為重要。使開關(guān)電源小型化的詳細(xì)辦法有:

一是高頻化。為了完成電源高功率密度,有必要進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)一步進(jìn)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(jìn)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(jìn)步體系可*性;易于擴(kuò)增負(fù)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(jìn)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(jìn)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?fù)漕愋秃筒倏貞?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?fù)浣M成,關(guān)于小功率AC/DC開關(guān)電源來說,選用兩級拓?fù)浣Y(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?fù),?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?fù)浣Y(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(jìn)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(dá)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(jìn)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(jìn)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(xì)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(jī)輔佐歸納和優(yōu)化規(guī)劃等。用根據(jù)仿真的專家體系進(jìn)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(jìn)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(hù)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(jìn)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(jìn)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。


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