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(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(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)開始發(fā)展,它是當(dāng)今國(guó)際電力電子界亟待解決的新問題之一.

    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(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,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(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(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(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(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(jí)拓?fù)浣M成,對(duì)于小功率AC/DC開關(guān)電源來說,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)?構(gòu)成單級(jí)高功率因數(shù)AC/DC開關(guān)電源,只用一個(gè)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(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(fèi)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(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(huì)引起強(qiáng)電磁場(chǎng)(通常是近場(chǎng))輻射.不但嚴(yán)重污染周圍電磁環(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(如開關(guān)變換器)內(nèi)部的控制電路也必須能承受開關(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,存在著許多交叉科學(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(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,還要考慮開關(guān)管的熱模型、可靠性模型和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)、可靠性す饋⒓撲慊ㄖ酆蝦陀嘔杓頻取S沒詵掄嫻淖蟻低辰械繚聰?shù)蛙?SPAN lang=EN-US>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、可靠性測(cè)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(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、可靠性低等,而用戶要求制造廠生產(chǎn)的電源產(chǎn)品更加實(shí)用、可靠性更高、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(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(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,提高可靠性.

    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題之一.