開關(guān)電源技術(shù)的十個(gè)關(guān)注點(diǎn)
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(lái)，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(gè)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(jiǎn)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(diǎn)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(jí)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(jiǎn)直下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)，仍堅(jiān)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(shí)，電壓、電流額定值只要600V、25A。很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，耐壓水平限于1200V～1700V，通過(guò)長(zhǎng)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(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。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(chǎng)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(zhǎng)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(jí)，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(diǎn)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(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(chǔ)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(gè)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(diǎn)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(duì)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(jí)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(gè)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(diǎn)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(zhǎng)處是：可完成DC/DC改換器組件模塊化；簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jí)結(jié)構(gòu)，另一種是三級(jí)結(jié)構(gòu)。
關(guān)注點(diǎn)五：PFC改換器
因?yàn)锳C/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(shí)，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(duì))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(duì)APFC單相APFC國(guó)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(jí)拓?fù)浣M成，關(guān)于小功率AC/DC開關(guān)電源來(lái)說(shuō)，選用兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)整體功率低、本錢高。
如果對(duì)輸入端功率因數(shù)要求不特別高時(shí)，將PFC改換器和后級(jí)DC/DC改換器組合成一個(gè)拓?fù)洌瑯?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)校對(duì)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改換器。
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(chǎng)強(qiáng)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(duì)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(diǎn)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(gè)新的展開趨勢(shì)，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(lái)，電源的高功能全數(shù)字操控芯片現(xiàn)已開發(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(zhǎng)處是：數(shù)字信號(hào)與混合模數(shù)信號(hào)相比能夠標(biāo)定更小的量，芯片價(jià)格也更低價(jià)；對(duì)電流檢測(cè)差錯(cuò)能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)字校對(duì)，電壓檢測(cè)也更準(zhǔn)確；能夠完成快速，靈敏的操控規(guī)劃。
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(guò)程中發(fā)生的di/dt和dv/dt，引起強(qiáng)壯的傳導(dǎo)電磁攪擾和諧波攪擾。有些狀況還會(huì)引起強(qiáng)電磁場(chǎng)(通常是近場(chǎng))輻射。不光嚴(yán)重污染周圍電磁環(huán)境，對(duì)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(dòng)作發(fā)生的EMI及使用現(xiàn)場(chǎng)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(guó)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(lái)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(diǎn)九：規(guī)劃和測(cè)驗(yàn)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(chǎng)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(gè)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(jì)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(fèi)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(cè)驗(yàn)、EMI測(cè)驗(yàn)、可*性測(cè)驗(yàn)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(diǎn)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(dòng)強(qiáng)度大、規(guī)劃周期長(zhǎng)、本錢高、可*性低一級(jí)，而用戶要求制作廠出產(chǎn)的電源產(chǎn)品愈加實(shí)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(shí)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(wú)源元件(包含磁集成技能)等展開階段。近年來(lái)的展開方向是將小功率電源體系集成在一個(gè)芯片上，能夠使電源產(chǎn)品更為緊湊，體積更小，也減小了引線長(zhǎng)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(gè)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(cè)、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(zhǎng)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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