新型開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的探析

　　開(kāi)關(guān)電源一直是電子行業(yè)里非常熱門(mén)的技術(shù)，雖然它并的性能并不能對(duì)我們?nèi)粘Ｉ畹母淖儙?lái)天翻地覆的變化，而它的發(fā)展趨勢(shì)又是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和商家所關(guān)注的問(wèn)題之一，新的產(chǎn)品必然會(huì)帶動(dòng)更多的商家訂單和客戶(hù)消費(fèi)。根據(jù)市場(chǎng)開(kāi)關(guān)電源的現(xiàn)狀和發(fā)展，總結(jié)出五大設(shè)計(jì)性能關(guān)注焦點(diǎn)，下面一一為大家解析。

　　關(guān)注點(diǎn)之一：高頻磁與同步整流技術(shù)的革新

　　在電源系統(tǒng)中我們會(huì)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(wèn)題需要研究。而我們?cè)谛阅苌蠈?duì)高頻磁元件所用磁性材料有一定的要求，其中損耗小，散熱性能好是基本的要求，只有達(dá)到這樣的標(biāo)準(zhǔn)才能做到產(chǎn)品的優(yōu)化，磁性能才會(huì)優(yōu)越。適用于兆赫級(jí)頻率的磁性材料是用戶(hù)的一大關(guān)注點(diǎn)，納米結(jié)晶軟磁材料也已得到開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

　　然后在擁有了高頻化技術(shù)之后，提高開(kāi)關(guān)電源的效率是技術(shù)的另一難題，這就要求我們技術(shù)設(shè)計(jì)人員必須開(kāi)發(fā)和應(yīng)用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。而這種軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的研究已經(jīng)成為行業(yè)的多年來(lái)的科研熱點(diǎn)，得到越來(lái)越多的設(shè)計(jì)者們的關(guān)注。

　　我們看過(guò)這樣的技術(shù)，如同步整流SR技術(shù)，即以功率MOS管反接作為整流用開(kāi)關(guān)二極管，代替蕭特基二極管(SBD)。這個(gè)設(shè)計(jì)可降低管壓降，從而提高電路效率。這就是我們?cè)趯?duì)于低電壓、大電流輸出的軟開(kāi)關(guān)變換器，我們想方設(shè)法降低開(kāi)關(guān)的通態(tài)損耗，進(jìn)一步提高其效率的措施。

　　關(guān)注點(diǎn)之二：開(kāi)關(guān)電源的功率密度的改進(jìn)

　　提高開(kāi)關(guān)電源的功率密度，使之小型化、輕量化，是設(shè)計(jì)者的關(guān)注之一。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(huà)，數(shù)字相機(jī)等)尤為重要，設(shè)計(jì)者們將通過(guò)三種方案來(lái)做到降低開(kāi)關(guān)電源的功率密度。

　　第一種方案是實(shí)現(xiàn)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。

　　第二種方案是采用新型電容器。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(kāi)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，做到新型電容器的體積縮小作用。

　　第三種方案是應(yīng)用壓電變壓器的改進(jìn)。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，進(jìn)行應(yīng)用壓電變壓器的改進(jìn)。

　　關(guān)注點(diǎn)之三：功率半導(dǎo)體器件性能

　　早在上世紀(jì)末，Infineon公司推出了冷mos管，它采用“超級(jí)結(jié)”(Super-Junction)結(jié)構(gòu)，又稱(chēng)超結(jié)功率MOSFET。工作電壓在600V～800V，通態(tài)電阻幾乎降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，仍保持開(kāi)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)體電子器件。

　　就在這種很有前途的高頻功率半導(dǎo)體電子器件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(guò)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(kāi)關(guān))和300kHz(軟開(kāi)關(guān))，大大提高了應(yīng)用性能。

　　我們看到的IGBT技術(shù)進(jìn)展實(shí)際上是通態(tài)壓降，快速開(kāi)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，分別是穿通(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)體電子元器件。由此我們不難看出碳化硅將是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，它的出現(xiàn)將大大改進(jìn)我們?cè)械漠a(chǎn)品設(shè)計(jì)性能。

　　關(guān)注點(diǎn)之四：分布電源結(jié)構(gòu)

　　在說(shuō)到分布電源結(jié)構(gòu)之前我們先說(shuō)一下分布電源系統(tǒng)，　現(xiàn)在分布電源系統(tǒng)有兩種結(jié)構(gòu)類(lèi)型有兩級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)兩種類(lèi)型。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，它有著可實(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、易于擴(kuò)增負(fù)載容量、可降低48V母線(xiàn)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(xiàn)更換失效模塊等優(yōu)點(diǎn)。

　　關(guān)注點(diǎn)之五：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(chēng)為有源功率因數(shù)校正APFC單相APFC國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)較早，技術(shù)已較成熟;三相APFC的拓?fù)漕?lèi)型和控制策略雖然已經(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(kāi)關(guān)電源，由兩級(jí)拓?fù)浣M成，對(duì)于小功率AC/DC開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，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)?，?gòu)成單級(jí)高功率因數(shù)AC/DC開(kāi)關(guān)電源，只用一個(gè)主開(kāi)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)，調(diào)整后的直流電壓就促進(jìn)了PFC變換器的應(yīng)用性能，最終實(shí)現(xiàn)總體的效率提高，成本降低。