开关电源技术发展的十个关注点21666.docVIP

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，提高系统可靠 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。?关注点五：PFC变换器 　由于AC/DC变换电路的输入端有整流元件和滤波电容，在正 弦电压输入