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開關（guān）電源技術發展的十個關注點

上世紀60年代，開關電源的問世，使其逐步取代了線性穩壓電源和SCR相控電源。40多年來，開（kāi）關（guān）電源技術有了飛（fēi）迅發展和變化，經曆了功率半導體器件、高頻化和軟開關技術、開關電源係統的集成技術三個發展階段。

　　功率半導體器件從雙極型器件(BPT、SCR、GTO)發展為MOS型器件(功率MOSFET、

　　IGBT、IGCT等)，使電力電子係統有（yǒu）可能實現高頻化，並大（dà）幅度降低導通損耗，電路也更為簡單。

　　自上世（shì）紀80年代開始，高頻化和軟開關技術的開發研究，使（shǐ）功率變換器性能更好（hǎo）、重量更輕、尺寸（cùn）更小。高頻化和軟開關技（jì）術（shù）是過去20年國際電力電子界研究的熱點之一。

　　上世紀90年代（dài）中期，集成電力電子係統和（hé）集成電力電（diàn）子模塊(IPEM)技術開始發展，它是當今國際（jì）電力電子（zǐ）界亟（jí）待解（jiě）決的新（xīn）問題之一。

　　關注點一：功率半導體器件性能

　　1998年，INFINEON公司推出冷MOS管，它采（cǎi）用“超級結”(Super-Junction)結構，故（gù）又稱超結功率MOSFET。工作電壓（yā）600V～800V，通態（tài）電（diàn）阻幾乎（hū）降低了一個數量級，仍保持開關速度快的（de）特點，是一種有發展前途的高頻功率半導體器件。

　　IGBT剛出現時，電（diàn）壓（yā）、電流額定值隻有600V、25A。很（hěn）長一段時間內，耐壓水平限於1200V～1700V，經過長時間的探索研究和改進，現在（zài）IGBT的電壓、電流額定（dìng）值已分別達到3300V/1200A和4500V/1800A，高壓IGBT單片耐（nài）壓已達到6500V，一般IGBT的工作頻率上限為20kHz～40kHz，基於穿通(PT)型結構應用新技（jì）術製造的IGBT，可工作（zuò）於150kHz(硬開關)和300kHz(軟開關)。

　　IGBT的技術（shù）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年曆（lì）史發展進程中（zhōng），有以下（xià）幾種類型（xíng）：穿通(PT)型、非穿通(NPT)型、軟穿通(SPT)型（xíng）、溝（gōu）漕型（xíng）和電場截止(FS)型。

　　碳（tàn）化矽SiC是功率半導（dǎo）體器件晶片的（de）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（diàn）阻小、導熱性能好、漏電流極小（xiǎo）、PN結耐（nài）壓高等，有利於（yú）製造出耐高（gāo）溫的高頻大功率半導體（tǐ）器件（jiàn）。

　　可以預見（jiàn），碳（tàn）化矽將是21世紀*可能成功應用的新型功率半導體（tǐ）器件材料（liào）。

　　關注點二：開關電源功率（lǜ）密（mì）度

　　提高開關電（diàn）源的功率密度，使之小型化（huà）、輕量化，是人們不斷努力追求的目標。電源的高頻（pín）化是（shì）國際電力電子界研究的熱點之一（yī）。電源的小型（xíng）化、減輕重量（liàng）對便攜式（shì）電子設備(如移動電話，數字相機等)尤為重要。使開關電（diàn）源小型（xíng）化的具體辦法有：

　　一是（shì）高頻化。為了實（shí）現電源高功率密度，必須提高PWM變（biàn）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（shì）應用壓（yā）電變壓器。應用壓電變壓（yā）器可使高頻功（gōng）率變（biàn）換（huàn）器實現輕、小、薄和高功率密度（dù）。

　　壓電變壓器利用（yòng）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（néng）量，其等效電路如同一個串並聯諧振電路（lù），是功率變換領域的研究熱點之一。

　　三是采用新型電（diàn）容器。為了減小電力電子設備的（de）體積和重量，必須設法改進電容器的性（xìng）能，提高能量密度，並研究開發適合於電力電子及（jí）電源係統用的新型電容器（qì），要求（qiú）電容量大、等效串聯電阻ESR小、體積（jī）小等（děng）。

　關注點三：高頻磁與同步整流技（jì）術

　　電源係統中應用大量磁元件，高頻磁元件的材料、結構和性能都不同於工頻磁元件，有許多問題需要研究。對高（gāo）頻磁元件所用磁性材（cái）料有如下要求：損耗小，散熱性能好，磁性（xìng）能優（yōu）越（yuè）。適用於兆赫級頻率的磁性材料為人們所關注（zhù），納米結晶軟磁材料也已開發應用。

　　高頻化以（yǐ）後，為了提高開（kāi）關電源（yuán）的效率（lǜ），必須開發和應用軟開關技術（shù）。它是過去幾十年國際電源（yuán）界的一個研究熱點。

　　對（duì）於（yú）低電壓（yā）、大電流輸出的軟開關變換器，進一步提高其效率的（de）措施是設法降低開關（guān）的通態損耗。例如同步整流SR技術，即以功（gōng）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（kě）降低管壓降，從而提高電路效率。

　　關注點四（sì）：分布電源結構

　　分（fèn）布電源係統適合於（yú）用作超高速集成電路（lù）組成（chéng）的大型工作站(如圖像處理站)、大型數字電子交換係統等的電源，其（qí）優點是：可實現DC/DC變換器組件（jiàn）模塊化；容易實現N+1功率冗餘（yú），提高係統可*性；易（yì）於擴增負載容（róng）量；可降低48V母線上的電流和電壓降；容易做到熱分布均勻、便於散熱設計；瞬態響應好（hǎo）；可在線更換（huàn）失效模塊等（děng）。

　　現在分布電源係統有兩（liǎng）種結構類型，一是兩（liǎng）級結構，另一種是三級結構。

　　關注點五：PFC變換器

　　由於AC/DC變換電路的輸入端有整流元件（jiàn）和濾波電容，在正弦電壓輸入時，單（dān）相整流電源供電的電子設備，電網側(交流（liú）輸入端)功率因數僅為0.6～0.65。采用PFC(功率（lǜ）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小於10%。既治理了電網（wǎng）的諧波汙染，又提高了電源的整體效率。這一技術稱為（wéi）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的拓撲類型和控製策略雖然已經有很多（duō）種，但還有（yǒu）待繼續研究發（fā）展。

　　一般高功率因數AC/DC開關（guān）電源，由兩級拓（tuò）撲組成，對於小功率AC/DC開關電源來說，采用兩級拓撲結構總體效率（lǜ）低、成本高。

　　如果對輸入端功率因數要求不（bú）特別（bié）高時，將PFC變（biàn）換器和後（hòu）級DC/DC變換（huàn）器組合成一個拓撲，構成單級高功率因數（shù）AC/DC開關電源，隻用一個主（zhǔ）開關管，可（kě）使功率因數校正到0.8以上，並使輸出（chū）直（zhí）流電壓可調，這（zhè）種拓撲結（jié）構稱為單管單級即S4PFC變換器。

　　關注（zhù）點（diǎn）六：電壓調（diào）節（jiē）器模塊VRM

　　電壓調節器模塊是一類低電壓、大（dà）電流輸出DC-DC變換器模塊，向微處理器提供電源。現在（zài）數據處理係統的速度和效率日益提高（gāo），為降（jiàng）低微處理器IC的電場強度（dù）和功耗，必須降低邏輯電壓（yā），新一代微處理（lǐ）器的邏輯電壓已降低至1V，而電流則高（gāo）達50A～100A，所以對VRM的要**：輸出電壓很低、輸出電流大、電流變（biàn）化（huà）率高（gāo）、快速響應等。

　　關注點七：全數字化（huà）控製

　　電源的（de）控製已經由模擬控製，模數混合控製，進入到全數字控製階段。全數字控製是一個新（xīn）的發展趨勢，已經在（zài）許多功率變換設備（bèi）中得到應用。

　　但是過去數字控製在DC/DC變換器（qì）中用（yòng）得較少。近兩年來，電源的（de）高性能全數字控製芯片已經開發，費用也已降到比較合理的水平，歐美（měi）已有多家公司（sī）開發（fā）並（bìng）製造出開關變換器（qì）的數字控製芯片及軟件。

　　全數字控製的優點是：數字信號與混（hún）合模數信號相比可以標定更（gèng）小的（de）量，芯片價格也更低（dī）廉；對電流檢測誤差可以進行**的數字校正，電壓檢測也（yě）更**；可以實現快速，靈活（huó）的控製設計。

　　關注點（diǎn）八：電磁兼（jiān）容（róng）性

　　高頻開關電源的電磁兼容EMC問題有其特殊性。功率半導體開關管在開關過程（chéng）中產生的di/dt和dv/dt，引起強大的傳導電磁幹擾和諧波幹擾。有些情況還（hái）會引起強電磁場(通常是近場)輻射。不（bú）但嚴重汙染周圍（wéi）電磁環境，對附近的電（diàn）氣設（shè）備造成電磁幹擾，還可能危及附近操作人員的**。同時，電力電子電路(如開關變換器)內部的控製電路也必須能承受開關動（dòng）作產生的EMI及應用現場電磁噪聲的（de）幹擾。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裏，存在著許多交*科學的前沿課題有待人們研（yán）究。國內外許多大學均（jun1）開展（zhǎn）了（le）電力電子電（diàn）路的（de）電磁幹擾和電（diàn）磁兼容（róng）性問題的研究，並取得了不少可（kě）喜成果。近幾年研究成果表明，開關變（biàn）換器中的電磁噪（zào）音（yīn）源，主要來自主開關器件（jiàn）的開關作用所（suǒ）產生的電壓、電流變化。變化速度越快，電磁噪音越大。

　　關注點（diǎn）九（jiǔ）：設計和測試技術

　　建模、仿真和CAD是一種新的設計工具。為仿真電源係統，首先要建立仿真模型，包括電力電（diàn）子器件、變換器電路、數字和模擬控製電路以及磁元件和磁場分布模型等，還要考慮開（kāi）關管的熱模型、可（kě）*性模型和EMC模型（xíng）。各種模型差別很大，建模的發展方向是：數字（zì）-模擬混合建模、混合層次建模（mó）以及將各種模型組成一個統一的多（duō）層次（cì）模型等。

　　電源係（xì）統的CAD，包括主電路和（hé）控（kòng）製電（diàn）路設計、器件選擇、參數*優化、磁設計、熱設計、EMI設計（jì）和印製電路板設計（jì）、可*性預（yù）估、計算機（jī）輔助綜合和優（yōu）化設（shè）計等。用基於仿（fǎng）真的專家係統進（jìn）行電源係統的CAD，可使所設（shè）計的係統性能（néng）*優，減少設計製造費用，並（bìng）能做可製造性（xìng）分（fèn）析，是21世紀仿真和CAD技術的發展方向之一。此外（wài），電源係統的熱測試、EMI測試、可*性測試等技術的開發、研究（jiū）與應用也是應大力發展的。

　　關注點十：係統集成技術

　　電源設備的製造特點是：非標準件多（duō）、勞動強度大、設計周期長、成本高、可*性低等，而用戶要求製造（zào）廠生產的（de）電（diàn）源產品更加實用、可*性（xìng）更高、更（gèng）輕小、成本更低。這些情況使電源製造廠家承受巨大壓力，迫切需要開展集成（chéng）電源模塊的研究開發，使電源產品的標準化、模塊化、可製造性（xìng）、規模生產、降低成本等目標得以實現。

　　實際上（shàng），在電源（yuán）集成技術的發展進程中，已經經曆了電力半導體器件模塊化，功率與控（kòng）製電路的集成（chéng）化，集成無源元件（jiàn）(包括磁集成技術)等發展階段。近年來的發展方向是將小（xiǎo）功率電源係統集成在（zài）一個芯片上，可以使電源產（chǎn）品更為緊湊，體積更小，也（yě）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，所有元器件連同控製保護集成在一個模塊中。

　　上世紀90年代，隨著大規模（mó）分布電源（yuán）係統的發展，一體化的設計觀念被推廣到更大容量、更高電壓的電源係統集成，提高了集成（chéng）度，出現了集成電力電子模塊(IPEM)。IPEM將功率器（qì）件與電（diàn）路、控製以（yǐ）及檢測、執行等元件集（jí）成封裝，得到標準的，可製（zhì）造的模塊，既可用於標準設計，也可用於專用、特（tè）殊設計。優點是可（kě）快速高效（xiào）為用戶提供產品，顯著降低成（chéng）本，提高可*性。

　　總之，電源係統集成是（shì）當今國際電（diàn）力電子界亟待解決的新問題（tí）之一（yī）。

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