開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)發(fā)展
開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展值得關(guān)注的十個(gè)點(diǎn)
上世紀(jì)60年代，開(kāi)關(guān)電源的問(wèn)世，使其逐步取代了線性穩(wěn)壓電源和SCR相控電源。40多年來(lái)，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)有了飛迅發(fā)展和變化，經(jīng)歷了功率半導(dǎo)體器件、高頻化和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的集成技術(shù)三個(gè)發(fā)展階段。
功率半導(dǎo)體器件從雙極型器件(BPT、SCR、GTO)發(fā)展為MOS型器件(功率MOSFET、IGBT、IGCT等)，使電力電子系統(tǒng)有可能實(shí)現(xiàn)高頻化，并大幅度降低導(dǎo)通損耗，電路也更為簡(jiǎn)單。自上世紀(jì)80年代開(kāi)始，高頻化和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究，使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。高頻化和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是過(guò)去20年國(guó)際電力電子界研究的熱點(diǎn)之一。上世紀(jì)90年代中期，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊(IPEM)技術(shù)開(kāi)始發(fā)展，它是當(dāng)今國(guó)際電力電子界亟待解決的新問(wèn)題之一。
關(guān)注點(diǎn)一：功率半導(dǎo)體器件性能
1998年，Infineon公司推出冷MOS管，它采用“超級(jí)結(jié)”(Super-Junction)結(jié)構(gòu)，故又稱超結(jié)功率MOSFET。工作電壓600V～800V，通態(tài)電阻幾乎降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，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(dǎo)體器件。
IGBT剛出現(xiàn)時(shí)，電壓、電流額定值只有600V、25A。很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，耐壓水平限于1200V～1700V，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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(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(chǎng)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)體器件。
可以預(yù)見(jiàn)，碳化硅將是21世紀(jì)最可能成功應(yīng)用的新型功率半導(dǎo)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(biāo)。電源的高頻化是國(guó)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(kāi)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(kāi)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(wèn)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(kāi)發(fā)應(yīng)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(yīng)用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。它是過(guò)去幾十年國(guó)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(kāi)關(guān)變換器，進(jìn)一步提高其效率的措施是設(shè)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(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，提高系統(tǒng)可*性;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?，F(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(guó)內(nèi)外開(kāi)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(kāi)關(guān)電源，由兩級(jí)拓?fù)浣M成，對(duì)于小功率AC/DC開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，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(kāi)關(guān)電源，只用一個(gè)主開(kāi)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(chǎng)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(shì)，已經(jīng)在許多功率變換設(shè)備中得到應(yīng)用。
但是過(guò)去數(shù)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(shù)字控制芯片已經(jīng)開(kāi)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(kāi)發(fā)并制造出開(kāi)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(cè)誤差可以進(jìn)行精確的數(shù)字校正，電壓檢測(cè)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(kāi)關(guān)電源的電磁兼容EMC問(wèn)題有其特殊性。功率半導(dǎo)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(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(chǎng)(通常是近場(chǎng))輻射。不但嚴(yán)重污染周?chē)姶怒h(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(kāi)關(guān)變換器)內(nèi)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(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)電磁噪聲的干擾。上述特殊性，再加上EMI測(cè)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(guó)內(nèi)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(shè)計(jì)和測(cè)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(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(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)最優(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。用基于仿真的專家系統(tǒng)進(jìn)行電源系統(tǒng)的CAD，可使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能最優(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(cè)試、EMI測(cè)試、可*性測(cè)試等技術(shù)的開(kāi)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(zhǎng)、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(kāi)展集成電源模塊的研究開(kāi)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(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(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(zhǎng)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。
上世紀(jì)90年代，隨著大規(guī)模分布電源系統(tǒng)的發(fā)展，一體化的設(shè)計(jì)觀念被推廣到更大容量、更高電壓的電源系統(tǒng)集成，提高了集成度，出現(xiàn)了集成電力電子模塊(IPEM)。IPEM將功率器件與電路、控制以及檢測(cè)、執(zhí)行等元件集成封裝，得到標(biāo)準(zhǔn)的，可制造的模塊，既可用于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，也可用于專用、特殊設(shè)計(jì)。優(yōu)點(diǎn)是可快速高效為用戶提供產(chǎn)品，顯著降低成本，提高可*性。
總之，電源系統(tǒng)集成是當(dāng)今國(guó)際電力電子界亟待解決的新問(wèn)題之一。
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