开关电源技术发展的十个关注点

发布日期:2011-01-13 16:04,查看次数:1581

上世纪60年代,开关电源的问世,使其逐步取代了线性稳压电源和SCR相控电源。40多年来,开关电源技术有了飞迅发展和变化,经历了功率半导体器件、高频化和软开关技术、开关电源系统的集成技术三个发展阶段。
功率半导体器件从双极型器件(BPT、SCR、GTO)发展为MOS型器件(功率MOSFET、IGBT、IGCT等),使电力电子系统有可能实现高频化,并大幅度降低导通损耗,电路也更为简单。
自上世纪80年代开始,高频化和软开关技术的开发研究,使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。
上世纪90年代中期,集成电力电子系统和集成电力电子模块(IPEM)技术开始发展,它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。

关注点一:功率半导体器件性能
1998年,Infineon公司推出冷MOS管,它采用“超级结”(Super-Junction)结构,故又称超结功率MOSFET。工作电压600V~800V,通态电阻几乎降低了一个数量级,仍保持开关速度快的特点,是一种有发展前途的高频功率半导体器件。
IGBT刚出现时,电压、电流额定值只有600V、25A。很长一段时间内,耐压水平限于1200V~1700V,经过长时间的探索研究和改进,现在IGBT的电压、电流额定值已分别达到3300V/1200A和4500V/1800A,高压IGBT单片耐压已达到6500V,一般IGBT的工作频率上限为20kHz~40kHz,基于穿通(PT)型结构应用新技术制造的IGBT,可工作于150kHz(硬开关)和300kHz(软开关)。

IGBT的技术进展实际上是通态压降,快速开关和高耐压能力三者的折中。随着工艺和结构形式的不同,IGBT在20年历史发展进程中,有以下几种类型:穿通(PT)型、非穿通(NPT)型、软穿通(SPT)型、沟漕型和电场截止(FS)型。
碳化硅SiC是功率半导体器件晶片的理想材料,其优点是:禁带宽、工作温度高(可达600℃)、热稳定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、PN结耐压高等,有利于制造出耐高温的高频大功率半导体器件。
可以预见,碳化硅将是21世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料。

关注点二:开关电源功率密度
提高开关电源的功率密度,使之小型化、轻量化,是人们不断努力追求的目标。电源的高频化是国际电力电子界研究的热点之一。电源的小型化、减轻重量对便携式电子设备(如移动电话,数字相机等)尤为重要。使开关电源小型化的具体办法有:
一是高频化。为了实现电源高功率密度,必须提高PWM变换器的工作频率、从而减小电路中储能元件的体积重量。
二是应用压电变压器。应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和高功率密度。
压电变压器利用压电陶瓷材料特有的“电压-振动”变换和“振动-电压”变换的性质传送能量,其等效电路如同一个串并联谐振电路,是功率变换领域的研究热点之一。
三是采用新型电容器。为了减小电力电子设备的体积和重量,必须设法改进电容器的性能,提高能量密度,并研究开发适合于电力电子及电源系统用的新型电容器,要求电容量大、等效串联电阻ESR小、体积小等。

关注点三:高频磁与同步整流技术
电源系统中应用大量磁元件,高频磁元件的材料、结构和性能都不同于工频磁元件,有许多问题需要研究。对高频磁元件所用磁性材料有如下要求:损耗小,散热性能好,磁性能优越。适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注,纳米结晶软磁材料也已开发应用。
高频化以后,为了提高开关电源的效率,必须开发和应用软开关技术。它是过去几十年国际电源界的一个研究热点。
对于低电压、大电流输出的软开关变换器,进一步提高其效率的措施是设法降低开关的通态损耗。例如同步整流SR技术,即以功率MOS管反接作为整流用开关二极管,代替萧特基二极管(SBD),可降低管压降,从而提高电路效率。

关注点四:分布电源结构
分布电源系统适合于用作超高速集成电路组成的大型工作站(如图像处理站)、大型数字电子交换系统等的电源,其优点是:可实现DC/DC变换器组件模块化;容易实现N+1功率冗余,提高系统可*性;易于扩增负载容量;可降低48V母线上的电流和电压降;容易做到热分布均匀、便于散热设计;瞬态响应好;可在线更换失效模块等。现在分布电源系统有两种结构类型,一是两级结构,另一种是三级结构。

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