新型开关电源技术简介

来源:未知  发布时间:2013-08-13 21:13  Tags:开关电源 
开关电源一直是电子行业里非常热门的技术,虽然它并的性能并不能对我们日常生活的改变带来天翻地覆的变化,而它的发展趋势又是电子产品设计师和商家所关注的问题之一,新的产品必然会带动更多的商家订单和客户消费。根据市场开关电源的现状和发展,总结出五...

开关电源一直是电子行业里非常热门的技术,虽然它并的性能并不能对我们日常生活的改变带来天翻地覆的变化,而它的发展趋势又是电子产品设计师和商家所关注的问题之一,新的产品必然会带动更多的商家订单和客户消费。根据市场开关电源的现状和发展,总结出五大设计性能关注焦点,下面一一为大家解析。

  关注点之一:高频磁与同步整流技术的革新

  在电源系统中我们会应用大量磁元件,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。而我们在性能上对高频磁元件所用磁性材料有一定的要求,其中损耗小,散热性能好是基本的要求,只有达到这样的标准才能做到产品的优化,磁性能才会优越。适用于兆赫级频率的磁性材料是用户的一大关注点,纳米结晶软磁材料也已得到开发应用。

  然后在拥有了高频化技术之后,提高开关电源的效率是技术的另一难题,这就要求我们技术设计人员必须开发和应用软开关技术。而这种软开关技术的研究已经成为行业的多年来的科研热点,得到越来越多的设计者们的关注。

  我们看过这样的技术,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)。这个设计可降低管压降,从而提高电路效率。这就是我们在对于低电压、大电流输出的软开关变换器,我们想方设法降低开关的通态损耗,进一步提高其效率的措施。

  关注点之二:开关电源的功率密度的改进

  提高开关电源的功率密度,使之小型化、轻量化,是设计者的关注之一。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,设计者们将通过三种方案来做到降低开关电源的功率密度。

  第一种方案是实现高频化。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。

  第二种方案是采用新型电容器。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,做到新型电容器的体积缩小作用。

  第三种方案是应用压电变压器的改进。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,进行应用压电变压器的改进。

  关注点之三:功率半导体器件性能

  早在上世纪末,Infineon公司推出了冷mos管,它采用“超级结”(Super-Junction)结构,又称超结功率MOSFET。工作电压在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电子器件。

  就在这种很有前途的高频功率半导体电子器件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),大大提高了应用性能。

  我们看到的IGBT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,分别是穿通(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电子元器件。由此我们不难看出碳化硅将是21世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料,它的出现将大大改进我们原有的产品设计性能。
关注点之四:分布电源结构

  在说到分布电源结构之前我们先说一下分布电源系统, 现在分布电源系统有两种结构类型有两级结构和三级结构两种类型。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,它有着可实现DC/DC变换器组件模块化、容易实现N+1功率冗余、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优点。

  关注点之五: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,在正弦电压输入时,单相整流电源供电的电子设备,电网侧(交流输入端)功率因数仅为0.6~0.65。采用PFC(功率因数校正)变换器,网侧功率因数可提高到0.95~0.99,输入电流THD小于10%。既治理了电网的谐波污染,又提高了电源的整体效率。这一技术称为有源功率因数校正APFC单相APFC国内外开发较早,技术已较成熟;三相APFC的拓扑类型和控制策略虽然已经有很多种,但还有待继续研究发展。

  一般高功率因数AC/DC开关电源,由两级拓扑组成,对于小功率AC/DC开关电源来说,采用两级拓扑结构总体效率低、成本高。

  如果对输入端功率因数要求不特别高时,将PFC变换器和后级DC/DC变换器组合成一个拓扑,构成单级高功率因数AC/DC开关电源,只用一个主开关管,可使功率因数校正到0.8以上,并使输出直流电压可调,调整后的直流电压就促进了PFC变换器的应用性能,最终实现总体的效率提高,成本降低。