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开关电源技术发展的十个关注点

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我爱电源
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LV6
高级工程师
  • 2008-7-14 11:39:32
上世纪60年代,开关电源的问世,使其逐步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发展和变化,经
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
术三个发展阶段。
功率半导体器件从双极型器件(BPT、SCR、GTO)发展为MOS型器件
(功率MOSFET、IGBT、IGCT等),使电力电子系统有可能实现高频化,
并大幅度降低导通损耗,电路也更为简单。
  自上世纪80年**始,高频化和软开关技术的开发研究,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究的热点之一。
  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)
技术开始发展,它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。
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)结构,故又称超结功率MOSFET。工作电压600V~800V,通态
电阻几乎降低了一个数量级,仍保持开关速度快的特点,是一种有发展
前途的高频功率半导体器件。
  IGBT刚出现时,电压、电流额定值只有600V、25A。很长一段时
间内,耐压水平限于1200V~1700V,经过长时间的探索研究和改
进,现在IGBT的电压、电流额定值已分别达到3300V/1200A和4500V/
1800A,高压IGBT单片耐压已达到6500V,一般IGBT的工作频率上限为
20kHz~40kHz,基于穿通(PT)型结构应用新技术制造的IGBT,可工作于
150kHz(硬开关)和300kHz(软开关)。
  IGBT的技术进展实际上是通态压降,快速开关和高耐压能力三者
的折中。随着工艺和结构形式的不同,IGBT在20年历史发展进程中,
有以下几种类型: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材料,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。
  可以预见,碳化硅将是21世纪最可能成功应用的新型功率半导体
器件材料。
  关注点二:开关电源功率密度
  提高开关电源的功率密度,使之小型化、轻量化,是人们不断努
力追求的目标。电源的高频化是国际电力电子界研究的热点之一。电
源的小型化、减轻重量对便携式电子设备(如移动电话,数字相机等)
尤为重要。使开关电源小型化的具体办法有:
  一是高频化。为了实现电源高功率密度,必须提高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实现
轻、小、薄和高功率密度。
  压电变压器利用压电陶瓷材料特有的“电压-振动”变换和“振
动-电压”变换的性质传送能量,其等效电路如同一个串并联谐振电
路,是功率变换领域的研究热点之一。
  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
须设法改进电容器的性能,提高能量密度,并研究开发适合于电力电
子及电源系统用的新型电容器,要求电容量大、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,高频磁元件的材料、结构和性能都
不同于工频磁元件,有许多问题需要研究。对高频磁元件所用磁性材
料有如下要求:损耗小,散热性能好,磁性能优越。适用于兆赫级频
率的磁性材料为人们所关注,纳米结晶软磁材料也已开发应用。
  高频化以后,为了提高开关电源的效率,必须开发和应用软开关
技术。它是过去几十年国际电源界的一个研究热点。
  对于低电压、大电流输出的软开关变换器,进一步提高其效率的
措施是设法降低开关的通态损耗。例如同步整流SR技术,即以功率MOS
管反接作为整流用开关二极管,代替萧特基二极管(SBD),可降低
管压降,从而提高电路效率。
  关注点四:分布电源结构
  分布电源系统适合于用作超高速集成电路组成的大型工作站(如
图像处理站)、大型数字电子交换系统等的电源,其优点是:可实现
DC/DC变换器组件模块化;容易实现N+1功率冗余,提高系统可靠
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
到热分布均匀、便于散热设计;瞬态响应好;可在线更换失效模块等。
  现在分布电源系统有两种结构类型,一是两级结构,另一种是三
级结构。

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
因数可提高到0.95~0.99,输入电流THD小于10%。既治理了电网的谐
波污染,又提高了电源的整体效率。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
和控制策略虽然已经有很多种,但还有待继续研究发展。
  一般高功率因数AC/DC开关电源,由两级拓扑组成,对于小
功率AC/DC开关电源来说,采用两级拓扑结构总体效率低、成本
高。
  如果对输入端功率因数要求不特别高时,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,这种拓扑结构称为单管单级即S4PFC变换器。
关注点六:电压调节器模块VRM
  电压调节器模块是一类低电压、大电流输出DC-DC变换器模
块,向微处理器提供电源。现在数据处理系统的速度和效率日益提高,
为降低微处理器IC的电场强度和功耗,必须降低逻辑电压,新一代微
处理器的逻辑电压已降低至1V,而电流则高达50A~100A,所以对VRM
的要求是: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
  电源的控制已经由模拟控制,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发展趋势,已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已经开发,费用也已降到比较合理的水
平,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可以标定更
小的量,芯片价格也更低廉;对电流检测误差可以进行精确的数字校
正,电压检测也更精确;可以实现快速,灵活的控制设计。
  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,引起强大的传导电磁干扰
和谐波干扰。有些情况还会引起强电磁场(通常是近场)辐射。不但严
重污染周围电磁环境,对附近的电气设备造成电磁干扰,还可能危及
附近操作人员的安全。同时,电力电子电路(如开关变换器)内部的控
制电路也必须能承受开关动作产生的EMI及应用现场电磁噪声的干扰。
上述特殊性,再加上EMI测量上的具体困难,在电力电子的电磁兼容
领域里,存在着许多交叉科学的前沿课题有待人们研究。国内外许多
大学均开展了电力电子电路的电磁干扰和电磁兼容性问题的研究,并
取得了不少可喜成果。近几年研究成果表明,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
要建立仿真模型,包括电力电子器件、变换器电路、数字和模拟控制
电路以及磁元件和磁场分布模型等,还要考虑开关管的热模型、可靠
性模型和EMC模型。各种模型差别很大,建模的发展方向是:数字-模
拟混合建模、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、可靠性预估、
计算机辅助综合和优化设计等。用基于仿真的专家系统进行电源系统
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
制造性分析,是21世纪仿真和CAD技术的发展方向之一。此外,电源
系统的热测试、EMI测试、可靠性测试等技术的开发、研究与应用也
是应大力发展的。
关注点十:系统集成技术
电源设备的制造特点是:非标准件多、劳动强度大、设计周期长、
成本高、可靠性低等,而用户要求制造厂生产的电源产品更加实用、
可靠性更高、更轻小、成本更低。这些情况使电源制造厂家承受巨大
压力,迫切需要开展集成电源模块的研究开发,使电源产品的标准化、
模块化、可制造性、规模生产、降低成本等目标得以实现。
  实际上,在电源集成技术的发展进程中,已经经历了电力半导体
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)等发展阶段。近年来的发展方向是将小功率电源系统集成在一
个芯片上,可以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。在此基础上,可以实现一体化,所有元器件连
同控制保护集成在一个模块中。
  上世纪90年代,随着大规模分布电源系统的发展,一体化的设计
观念被推广到更大容量、更高电压的电源系统集成,提高了集成度,
出现了集成电力电子模块(IPEM)。IPEM将功率器件与电路、控制
以及检测、执行等元件集成封装,得到标准的,可制造的模块,既可
用于标准设计,也可用于专用、特殊设计。优点是可快速高效为用户
提供产品,显著降低成本,提高可靠性。
  总之,电源系统集成是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之
一。
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