開關(guān)電源發(fā)展過程中的十個技術(shù)焦點(diǎn)

1、開關(guān)電源發(fā)展過程中的十個技術(shù)焦點(diǎn)    20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(shí)現(xiàn)高頻化，并大幅度降低導(dǎo)通損耗，電路也更為簡單。 自20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

2、20年國際電力電子界研究的熱點(diǎn)之一。 20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。 焦點(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“超級結(jié)”(Super-Junction)結(jié)構(gòu)，故又稱超結(jié)功率MOSFET。工作電壓600V800V，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(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，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1200V1700V，經(jīng)過長時間的探索研究和改進(jìn)，現(xiàn)在IGBT的電壓、電

3、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20kHz40kHz，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(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。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(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、

4、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。 焦點(diǎn)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(diǎn)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(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

5、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(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，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。 焦點(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

6、，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(diǎn)。 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。 焦點(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)可靠性；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

7、態(tài)響應(yīng)好；可在線更換失效模塊等。 現(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)。  焦點(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，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0.60.65。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0.950.99，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。 焦點(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?，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