DC/DC變換器的發(fā)展與應(yīng)用

1引言

直流-直流變換器(DC/DC)變換器廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程及數(shù)據(jù)通訊、計(jì)算機(jī)、辦公自動(dòng)化設(shè)備、工業(yè)儀器儀表、軍事、航天等領(lǐng)域，涉及到國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)。按額定功率的大小來劃分，DC/DC可分為750W以上、750W～1W和1W以下3大類。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，DC/DC變換器在低功率范圍內(nèi)的增長率大幅度提高，其中6W～25WDC/DC變換器的增長率最高，這是因?yàn)樗鼈兇罅坑糜谥绷鳒y(cè)量和測(cè)試設(shè)備、計(jì)算機(jī)顯示系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和軍事通訊系統(tǒng)。由于微處理器的高速化，DC/DC變換器由低功率向中功率方向發(fā)展是必然的趨勢(shì)，所以251W～750W的DC/DC變換器的增長率也是較快的，這主要是它用于服務(wù)性的醫(yī)療和實(shí)驗(yàn)設(shè)備、工業(yè)控制設(shè)備、遠(yuǎn)程通訊設(shè)備、多路通信及發(fā)送設(shè)備，DC/DC變換器在遠(yuǎn)程和數(shù)字通訊領(lǐng)

域有著廣闊的應(yīng)用前景。

DC/DC變換器將一個(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于無軌電車、地鐵、列車、電動(dòng)車的無級(jí)變速和控制，同時(shí)使上述控制具有加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)的性能,并同時(shí)收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約20%～30%的電能。直流斬波器不僅能起到調(diào)壓的作用(開關(guān)電源),同時(shí)還能起到有效抑制電網(wǎng)側(cè)諧波電流噪聲的作用。

DC/DC變換器現(xiàn)已商品化,模塊采用高頻PWM技術(shù),開關(guān)頻率在500kHz左右,功率密度為0.31W/cm3～1.22W/cm3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實(shí)現(xiàn)小型化,因此就要不斷提高開關(guān)頻率和采用新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前，已有一些公司研制生產(chǎn)了采用零電流開關(guān)和零電壓開關(guān)技術(shù)的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。

電子產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展極大地推動(dòng)了開關(guān)電源的發(fā)展。高頻小型化的開關(guān)電源及其技術(shù)已成為現(xiàn)代電子設(shè)備供電系統(tǒng)的主流。在電子設(shè)備領(lǐng)域中,通常將整流器稱為一次電源,而將DC/DC變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網(wǎng)變換成標(biāo)稱值為48V的直流電源。目前，在電子設(shè)備中用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關(guān)電源取代,高頻開關(guān)電源(也稱為開關(guān)型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT實(shí)現(xiàn)高頻工作,開關(guān)頻率一般控制在50kHz～100kHz范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)高效率和小型化。近幾年,開關(guān)整流器的功率容量不斷擴(kuò)大,單機(jī)容量己從48V/12.5A、48V/20A擴(kuò)大到48V/200A、48V/400A。

因?yàn)殡娮釉O(shè)備中所用的集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在電子供電系統(tǒng)中，采用高功率密度的高頻DC/DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,可以大大減小損耗、方便維護(hù),且安裝和增容非常方便。一般都可直接裝在標(biāo)準(zhǔn)控制板上,對(duì)二次電源的要求是高功率密度。因?yàn)殡娮釉O(shè)備容量的不斷增加,其電源容量也將不斷增加。

2電力電子器件

功率變換技術(shù)高速發(fā)展的基礎(chǔ)是電力電子器件和控制技術(shù)的高速發(fā)展，在21世紀(jì)，電力電子器件將進(jìn)入第4代即智能化時(shí)代，具有如下顯著的特征。

2.1高性能化

高性能化主要包括高電壓、大容量、降低導(dǎo)通電壓低損耗、高速度和高可靠性等4個(gè)方面。如IGBT的電流可達(dá)2kA～3kA、電壓達(dá)到4kV～6kV，降低損耗是所有復(fù)合器件的發(fā)展目標(biāo)。預(yù)計(jì)在21世紀(jì)IGBT、智能化功率模塊(IPM)等器件的導(dǎo)通電壓可降到1V以下，而MOSFET、IBGT、MCT等器件的應(yīng)用頻率將達(dá)到兆赫數(shù)量級(jí)。

2.2智能化和集成化

智能化的發(fā)展是系統(tǒng)智能集成(ASIPM)，即將電源電路、各種保護(hù)以及PWM控制電路等都集成在一個(gè)芯片上，制成一個(gè)完整的功率變換器IC。集成電力電子模塊(IPEM)是將驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)保護(hù)、自診斷功能的IC與電力電子器件集成在一個(gè)模塊中。由于不同的元器件、電路、集成電路的封裝或相互連接產(chǎn)生的寄生參數(shù)已成為決定電力電子系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，所以采用IPEM方法可減少設(shè)計(jì)工作量，便于生產(chǎn)自動(dòng)化，提高系統(tǒng)質(zhì)量、可靠性和可維護(hù)性，縮短設(shè)計(jì)周期，降低產(chǎn)品成本。

IPEM與IPM或PIC的不同之處在于后者是單層單片集成，一維封裝;而前者是高電壓、大電流、多層多片集成，三維封裝，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，多方向散熱，其熱設(shè)計(jì)也更加重要。IPEM研究課題中有待解決的基本問題是結(jié)構(gòu)的確定和通用性，新型電力電子器件評(píng)估的主要方面是開關(guān)單元、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、高電壓大電流功率器件的單片集成。大功率無源器件集成、IPEM三維封裝(控制寄生參數(shù)，將寄生影響控制在最小范圍)、熱管理、IPEM設(shè)計(jì)軟件、接口與系統(tǒng)的兼容性、IPEM性能預(yù)測(cè)、可靠性冗余和容錯(cuò)等都需要跨學(xué)科研究。因?yàn)榕c現(xiàn)代電力電子學(xué)相關(guān)的學(xué)科十分廣泛，包括基礎(chǔ)理論學(xué)科，如固體物理、電磁學(xué)、電路理論;專業(yè)理論學(xué)科如電力系統(tǒng)、電子學(xué)、系統(tǒng)與控制、電機(jī)學(xué)及電氣傳動(dòng)、通信理論、信號(hào)處理、微電子技術(shù);及電磁測(cè)量、計(jì)算機(jī)仿真、CAD等，覆蓋了材料、器件、電路與控制、磁學(xué)、熱設(shè)計(jì)、封裝、CAD集成、制造、電力電工應(yīng)用等專業(yè)技術(shù)。就目前我國電力電子技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀而言，迫切需要跨學(xué)科并運(yùn)用多種專業(yè)技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合研究，以適應(yīng)當(dāng)今國際電力電子科技前沿技術(shù)的發(fā)展。

2.3模塊化

模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指單元的模塊化。常見的功率器件模塊含有1單元、2單元、6單元直至7單元,包括開關(guān)器件和與之串并聯(lián)的續(xù)流二極管,實(shí)質(zhì)上都屬于標(biāo)準(zhǔn)功率模塊(SPM)。近年來,有些公司把開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路也裝到功率模塊中構(gòu)成IPM,不但縮小了整機(jī)的體積,而且更加方便了整機(jī)的設(shè)計(jì)與制造。實(shí)際上,由于頻率不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴(yán)重,對(duì)器件造成更大的電應(yīng)力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊(ASPM),它把一臺(tái)整機(jī)的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個(gè)模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經(jīng)過嚴(yán)格、合理的熱、電、機(jī)械方面的設(shè)計(jì),產(chǎn)品性能優(yōu)良。它類似于微電子電路中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個(gè)模塊固定在相應(yīng)的散熱器上,就構(gòu)成一臺(tái)新型的開關(guān)電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,可縮小整機(jī)體積,更重要的是取消了傳統(tǒng)連線,把寄生參數(shù)值降到最小,從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低,提高了系統(tǒng)的可靠性。另外,大功率的開關(guān)電源,由于器件容量的限制和冗余度的增加，從提高可靠性方面考慮,一般采用多個(gè)獨(dú)立的模塊單元并聯(lián)工作,采用均流技術(shù),所有模塊共同分擔(dān)負(fù)載電流,一旦其中某個(gè)模塊失效,其它模塊再平均分擔(dān)負(fù)載電流。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量情況下可滿足大電流輸出的要求,而且通過增加相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊,極大地提高了系統(tǒng)的可靠性,即使萬一出現(xiàn)單個(gè)模塊故障,也不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作,而且可提供充分的時(shí)間進(jìn)行修復(fù)。

3新的DC/DC變換器技術(shù)

3.1VRM技術(shù)

就DC/DC變換器而言，由于現(xiàn)代微處理器和一些超高速大規(guī)模集成電路芯片，如Intel、Pentium、Pro等，要求在低電壓(2.4V～3.3V)、大電流(>13A)狀態(tài)下工作，而其直流母線電壓通常為5V～12V。這樣，就需要將直流母線電壓通過DC/DC變換器進(jìn)行變換，通常用VRM來實(shí)現(xiàn)。顯然，隨著芯片集成密度、工作速度的進(jìn)一步提高，芯片的工作電壓將進(jìn)一步下降，工作電流進(jìn)一步增大。人們對(duì)VRM提出了新的挑戰(zhàn)，要求VRM具有非?？焖俚呢?fù)載電流響應(yīng)，在保證足夠小的體積的同時(shí)，還要具有高效率。要使VRM具有快速的負(fù)載電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)，傳統(tǒng)的解決辦法是在VRM的輸出端并聯(lián)很多容量很大、等效串聯(lián)電阻很小的退耦電容器。顯然，該方法存在如下問題：

1)退耦電容器體

積很大，而現(xiàn)代微處理器對(duì)VRM的體積有著嚴(yán)格的要求。

2)退耦電容器僅能改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響階段，對(duì)后階段及總的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間沒有作用。