開關(guān)電源的技術(shù)發(fā)展
開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展值得關(guān)注的十個點
上世紀(jì)60年代，開關(guān)電源的問世,，使其逐步取代了線性穩(wěn)壓電源和SCR相控電源,。40多年來，開關(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,、高頻化和軟開關(guān)技術(shù),、開關(guān)電源系統(tǒng)的集成技術(shù)三個發(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)有可能實現(xiàn)高頻化，并大幅度降低導(dǎo)通損耗,，電路也更為簡單,。自上世紀(jì)80年代開始，高頻化和軟開關(guān)技術(shù)的開發(fā)研究,，使功率變換器性能更好,、重量更輕、尺寸更小,。高頻化和軟開關(guān)技術(shù)是過去20年國際電力電子界研究的熱點之一,。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)開始發(fā)展,，它是當(dāng)今國際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)體器件性能
1998年，Infineon公司推出冷MOS管,，它采用“超級結(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數(shù)量級,，仍保持開關(guān)速度快的特點，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,，電壓、電流額定值只有600V,、25A,。很長一段時間內(nèi)，耐壓水平限于1200V～1700V,，經(jīng)過長時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(硬開關(guān))和300kHz(軟開關(guān)),。
IGBT的技術(shù)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。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,，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)注點二：開關(guān)電源功率密度
提高開關(guān)電源的功率密度,，使之小型化,、輕量化，是人們不斷努力追求的目標(biāo),。電源的高頻化是國際電力電子界研究的熱點之一,。電源的小型化、減輕重量對便攜式電子設(shè)備(如移動電話,，數(shù)字相機(jī)等)尤為重要,。使開關(guān)電源小型化的具體辦法有：
一是高頻化。為了實現(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”變換和“振動-電壓”變換的性質(zhì)傳送能量,，其等效電路如同一個串并聯(lián)諧振電路，是功率變換領(lǐng)域的研究熱點之一,。
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(jié)晶軟磁材料也已開發(fā)應(yīng)用,。
高頻化以后，為了提高開關(guān)電源的效率,，必須開發(fā)和應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù),。它是過去幾十年國際電源界的一個研究熱點。
對于低電壓,、大電流輸出的軟開關(guān)變換器,，進(jìn)一步提高其效率的措施是設(shè)法降低開關(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)點是：可實現(xiàn)DC/DC變換器組件模塊化;容易實現(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;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,，一是兩級結(jié)構(gòu)，另一種是三級結(jié)構(gòu),。
關(guān)注點五：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，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國內(nèi)外開發(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開關(guān)電源,，由兩級拓?fù)浣M成,，對于小功率AC/DC開關(guān)電源來說，采用兩級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總體效率低,、成本高,。
如果對輸入端功率因數(shù)要求不特別高時，將PFC變換器和后級DC/DC變換器組合成一個拓?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)稱為單管單級即S4PFC變換器,。
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變換器模塊，向微處理器提供電源?，F(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)字控制是一個新的發(fā)展趨勢,，已經(jīng)在許多功率變換設(shè)備中得到應(yīng)用。
但是過去數(shù)字控制在DC/DC變換器中用得較少。近兩年來,，電源的高性能全數(shù)字控制芯片已經(jīng)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)并制造出開關(guān)變換器的數(shù)字控制芯片及軟件,。
全數(shù)字控制的優(yōu)點是：數(shù)字信號與混合模數(shù)信號相比可以標(biāo)定更小的量,，芯片價格也更低廉;對電流檢測誤差可以進(jìn)行精確的數(shù)字校正，電壓檢測也更精確;可以實現(xiàn)快速,，靈活的控制設(shè)計,。
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,。有些情況還會引起強(qiáng)電磁場(通常是近場)輻射。不但嚴(yán)重污染周圍電磁環(huán)境,，對附近的電氣設(shè)備造成電磁干擾,，還可能危及附近操作人員的安全。同時,，電力電子電路(如開關(guān)變換器)內(nèi)部的控制電路也必須能承受開關(guān)動作產(chǎn)生的EMI及應(yīng)用現(xiàn)場電磁噪聲的干擾,。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,，存在著許多交*科學(xué)的前沿課題有待人們研究。國內(nèi)外許多大學(xué)均開展了電力電子電路的電磁干擾和電磁兼容性問題的研究,，并取得了不少可喜成果,。近幾年研究成果表明，開關(guān)變換器中的電磁噪音源,，主要來自主開關(guān)器件的開關(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)注點九：設(shè)計和測試技術(shù)
建模、仿真和CAD是一種新的設(shè)計工具,。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分布模型等，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、器件選擇,、參數(shù)最優(yōu)化,、磁設(shè)計、熱設(shè)計,、EMI設(shè)計和印制電路板設(shè)計,、可*性預(yù)估、計算機(jī)輔助綜合和優(yōu)化設(shè)計等,。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)計的系統(tǒng)性能最優(yōu)，減少設(shè)計制造費用,，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)的熱測試,、EMI測試、可*性測試等技術(shù)的開發(fā),、研究與應(yīng)用也是應(yīng)大力發(fā)展的,。
關(guān)注點十：系統(tǒng)集成技術(shù)
電源設(shè)備的制造特點是：非標(biāo)準(zhǔn)件多、勞動強(qiáng)度大,、設(shè)計周期長、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,，迫切需要開展集成電源模塊的研究開發(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)得以實現(xiàn),。
實際上,，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,，集成無源元件(包括磁集成技術(shù))等發(fā)展階段,。近年來的發(fā)展方向是將小功率電源系統(tǒng)集成在一個芯片上，可以使電源產(chǎn)品更為緊湊,，體積更小,，也減小了引線長度，從而減小了寄生參數(shù),。在此基礎(chǔ)上,，可以實現(xiàn)一體化，所有元器件連同控制保護(hù)集成在一個模塊中,。
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、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,，也可用于專用,、特殊設(shè)計。優(yōu)點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)今國際電力電子界亟待解決的新問題之一,。
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