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開關電源模塊技術發展中的幾個要點
 2021年04月06日

開關電源模塊一直是電子行業里非常熱門的技術,而它的發展趨勢又是大家必須時刻關注的問題,不然一不留神就會跟不上技術發展的步伐。下面簡單說下開關電源模塊技術發展中的幾個要點。

要點一:功率半導體器件性能

例如1998年Infineon公司推出冷mos管,它采用超級結(Super-Junction)結構,又稱超結功率 MOSFET。工作電壓600V~800V,通態電阻幾乎降低了一個數量級,仍保持開關速度快的特點,是一種有發展前途的高頻功率半導體電子器件。

IGBT剛出現時,電壓、電流額定值只有600V、25安,很長一段時間內,耐壓水平限于1200V~1700V。經過長時間的探索研究和改進,現在IGBT的電壓、電流額定值已分別達到3300V/1200A和4500V/1800A,高壓IGBT單片耐壓已達到6500V。一般IGBT的工作頻率上限為20kHz~40kHz,基于穿通(PT)型結構應用新技術制造的IGBT,可工作于150kHz(硬開關)和300kHz(軟開關)。IGBT的技術進展實際上是通態壓降,快速開關和高耐壓能力三者的折中。隨著工藝和結構形式的不同,IGBT在20年歷史發展進程中,有穿通(PT)型、非穿通(NPT)型、軟穿通(SPT)型、溝漕型和電場截止(FS)型等幾種類型。

碳化硅SiC是功率半導體器件晶片的理想材料,其優點是禁帶寬、工作溫度高(可達600℃)、熱穩定性好、通態電阻小、導熱性能好、漏電流極小、PN結耐壓高等,有利于制造出耐高溫的高頻大功率半導體電子元器件。

要點二:開關電源模塊功率密度

提高開關電源模塊的功率密度,使之小型化、輕量化,是人們不斷努力追求的目標。電源的小型化、減輕重量對便攜式電子設備尤為重要。使開關電源模塊小型化的具體辦法有高頻化,為了實現電源高功率密度,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。

或是應用壓電變壓器,應用壓電變壓器可使高頻功率變換器實現輕、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,變換的性質傳送能量,其等效電路如同一個串并聯諧振電路,是功率變換領域的研究熱點之一。

為了減小電力電子設備的體積和重量,必須設法改進電容器的性能,提高能量密度,并研究開發適合于電力電子及模塊電源系統用的新型電容器,要求電容量大、等效串聯電阻ESR小、體積小等。

要點三:高頻磁與同步整流技術

電源系統中應用大量磁元件,高頻磁元件的材料、結構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損耗小,散熱性能好,磁性能優越等要求。適用于兆赫級頻率的磁性材料為人們所關注,納米結晶軟磁材料也已開發應用。高頻化以后,為了提高開關電源模塊的效率,必須開發和應用軟開關技術。對于低電壓、大電流輸出的軟開關變換器,進一步提高其效率的措施是設法降低開關的通態損耗。例如同步整流SR技術,即以功率MOS管反接作為整流用開關二極管,代替蕭特基二極管(SBD),可降低管壓降,從而提高電路效率。

要點四:分布電源結構

分布電源系統適合于用作超高速集成電路組成的大型工作站、大型數字電子交換系統等的電源。其優點是可實現DC-DC變換器組件模塊化,容易實現N+1功率冗余,易于擴增負載容量,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、設計,瞬態響應好,可在線更換失效模塊等?,F在分布電源系統有兩級結構和三級結構兩種類型。

要點五: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備,電網側(交流輸入端)功率因數僅為0.6~0.65。采用PFC(功率因數校正)變換器,網側功率因數可提高到0.95~0.99,輸入電流THD小于10%。既治理了電網的諧波污染,又提高了電源的整體效率。這一技術稱為有源功率因數校正APFC,單相APFC國內外開發較早,技術已較成熟。三相APFC的拓撲類型和控制策略雖然已經有很多種,但還有待繼續研究發展。

一般高功率因數AC-DC開關電源模塊,由兩級拓撲組成,對于小功率AC-DC開關電源模塊來說,采用兩級拓撲結構總體效率低、成本高。如果對輸入端功率因數要求不特別高時,將PFC變換器和后級DC-DC變換器組合成一個拓撲,構成單級高功率因數AC-DC開關電源模塊,只用一個主開關管,可使功率因數校正到0.8以上,并使輸出直流電壓可調,這種拓撲結構稱為單管單級即S4PFC變換器。

要點六:電壓調節器模塊VRM

電壓調節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在數據處理系統的速度和效率日益提高,為降低微處理器IC的電場強度和功耗,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50A~100A,所以對VRM有輸出電壓很低、輸出電流大、電流變化率高、快速響應等要求。

要點七:全數字化控制

電源的控制已經由模擬控制,模數混合控制,進入到全數字控制階段。全數字控制是一個新的發展趨勢,已經在許多功率變換設備中得到應用,但是過去數字控制在DC-DC變換器中用得較少。近年來,電源的高性能全數字控制芯片已經開發,費用也已降到比較合理的水平,歐美已有多家公司開發并制造出開關變換器的數字控制芯片及軟件。全數字控制的優點是數字信號與混合模數信號相比可以標定更小的量,芯片價格也更低廉。對電流檢測誤差可以進行精確的數字校正,電壓檢測也更精確,可以實現快速,靈活的控制設計。

要點八:電磁兼容性

高頻開關電源模塊的電磁兼容EMC問題有其特殊性,功率半導體開關管在開關過程中產生的di/dt和dv /dt,引起強大的傳導電磁干擾和諧波干擾。有些情況還會引起強電磁場(通常是近場)輻射,不但嚴重污染周圍電磁環境,對附近的電氣設備造成電磁干擾,還可能危及附近操作人員的安全。同時電力電子電路(如開關變換器)內部的控制電路也必須能承受開關動作產生的EMI及應用現場電磁噪聲的干擾。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域里,存在著許多科學的前沿課題有待人們研究。近幾年研究成果表明,開關變換器中的電磁噪音源,主要來自主開關器件的開關作用所產生的電壓、電流變化。變化速度越快,電磁噪音越大。

要點九:設計和測試技術

建模、仿真和CAD是一種新的設計工具。為仿真電源系統,首先要建立仿真模型,包括電力電子器件、變換器電路、數字和模擬控制電路以及磁元件和磁場分布模型等,還要考慮開關管的熱模型、和EMC模型等。各種模型差別很大,建模的發展方向是數字-模擬混合建模、混合層次建模以及將各種模型組成一個統一的多層次模型等。

模塊電源系統的CAD包括主電路和控制電路設計、元器件選擇、參數優化、磁設計、熱設計、EMI設計和印制電路板設計、預估、計算機輔助綜合和優化設計等。用基于仿真的系統進行電源系統的CAD,可使所設計的系統性能優化,減少設計制造費用,并能做可制造性分析,是仿真和CAD技術的發展方向之一。此外電源系統的熱測試、EMI測試等技術的開發、研究與應用也是應大力發展。

要點十:系統集成技術

電源設備的制造特點是非標準件多、勞動強度大、設計周期長、成本高等,而用戶要求電源廠家生產的電源產品更加實用、更輕小、成本更低等。這些情況使模塊電源廠家承受巨大壓力,迫切需要開展高集成電源模塊的研究開發,使電源產品的標準化、模塊化、可制造性、規模生產、降低成本等目標得以實現。實際上,在電源集成技術的發展進程中,已經經歷了電力半導體器件模塊化,功率與控制電路的集成化,集成無源元件(包括磁集成技術)等發展階段。近年來的發展方向是將小功率電源系統集成在一個芯片上,可以使電源產品更為緊湊,體積更小,也減小了引線長度,從而減小了寄生參數。在此基礎上,可以實現一體化,所有元器件連同控制保護集成在一個模塊中。



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