簡述DC-DC開關(guān)電源小型化發(fā)展中的不足及其應(yīng)對措施
五、改進與應(yīng)對的措施
由于開關(guān)電源存在著“換向問題”這類原理性的限制,以及我們所處的“微電子技術(shù)”這個時代性的限制,當功率密度和頻率高到一定程度的時候,損耗將是不能容忍的。因此,以功率密度為120-180W/in3的軟開關(guān)高頻DC/DC模塊以及功率密度為1000W/in3,開關(guān)頻率為3.5兆周的功率芯片,它們的最大輸出電流80-100A,不大可能再有大幅度的提高。換句話說,BCM、VTM可能已接近我們這個發(fā)展階段最后的成果。
但是,在目前的技術(shù)條件下,我們還有潛力來大幅度提高上述模塊和芯片的紋波噪聲抑制能力。我們是否可以這樣認為,在電源最基本的指標方面,一個具有這樣指標的高頻DC-DC模塊或者功率芯片,也許是我們這個發(fā)展階段最后的成果:它們具有180-1000W/in3的功率密度,100A以上的輸出電流與數(shù)百瓦-1千瓦的功率。同時,在所有負載下,都具有0.1-0.05%以下的紋波系數(shù)。并且,根據(jù)需要,基本上不用任何的外接元器件,通過串并聯(lián)、反饋即可組成任何輸出電壓、電流和功率、各種規(guī)格、用途與指標的電源。
實現(xiàn)這個發(fā)展階段最后的成果,取決于電源的各個組成部分都得到平衡的發(fā)展,取決于大電流電感濾波器小型化的可能性。比如說,一個具有極高的電感/體積比 L/V的大電流輸出電感性濾波器NIF連接于100A功率芯片VTM的輸出端,它的電感L足以使VTM的紋波系數(shù)在全負載內(nèi)均低于0.1-0.05%,而體積僅相當于VTM中的3.5MHz功率變壓器。那么,安置了這種NIF的功率芯片不僅有極高的功率密度,而且有極低的紋波系數(shù)。
但是,從電源的發(fā)展史中我們也知道,對輸出濾波器的研究,特別是大電流的電感性濾波器的小型化的研究是十分不夠的:傳統(tǒng)的電感性濾波器是不能滿足要求的,它的體積很大,電感/體積比 L/V極低。在數(shù)十年前就已經(jīng)確立的電源技術(shù)理論的數(shù)學(xué)物理模型告訴我們,在大電流輸出的情況下,輸出電感濾波器的體積在電源中占有最大的部分,輸出電流越大占有的體積比率也越大, L/V也越低。如果我們能在這方面取得突破性進展,在基本理論方面有新的研究成果,運用于高功率密度的電源產(chǎn)品中。那么,我們就有可能在功率密度、大電流輸出、很低的紋波系數(shù)等方面都獲得令人滿意的指標。
鑒于上面的理由,本人十分有興趣的致力于大電流輸出的電感性濾波器小型化的研究,并取得實效。本文將向大家宣告一種具有極高的電感/體積比 L/V的大電流輸出電感性濾波器NIF的問世,它將使上述問題得到滿意的解決。關(guān)于NIF比較詳細的情況,在以后的文章中我還要論述它。
六、一種具有極高的電感/體積比 L/V的大電流輸出電感性濾波器NIF
我們知道,傳統(tǒng)的電感性濾波器是一個儲能元件,它的體積將與它的輸出電流的平方成正比,即V=kI2,也就是說,它的體積與它儲存的能量成正比。這與功率變壓器有著本質(zhì)的區(qū)別。比如說,足以使100A功率芯片VTM的紋波系數(shù)低于0.1-0.05%的輸出電感性濾波器的體積將比VTM中的3.5MHz,100A功率變壓器的體積要大得多。
我們能不能企圖去改變電感性濾波器這類元器件本身的電學(xué)物理學(xué)特性,使它能夠很容易的達到電源系統(tǒng)對它的體積的限制呢?
我們經(jīng)過數(shù)年的研究,開發(fā)出一種新型的大電流輸出電感性濾波器NIF。它不同的有區(qū)別的特征是:NIF不是一個儲能元件,這是最主要最本質(zhì)的改變。因而,它的體積不是與輸出電流的平方成正比,而只是與輸出電流成正比,即V=kI。這也就是說,在電感量L和額定輸出電流I都相同的條件下,NIF與傳統(tǒng)的輸出電感性濾波器的體積之比是和輸出電流成反比。即:
(Vn/V)= h(1/I)1
其中:Vn、V、h、I 分別為 NIF體積,傳統(tǒng)輸出電感濾波器的體積,比例系數(shù),輸出電流。兩者的電感量,工作頻率,額定輸出電流都相同。
這就是說, 與傳統(tǒng)的輸出電感性濾波器相比, NIF的體積將大為縮小了。而且電流越大,縮小得也越多。
NIF的體積與工作頻率成反比,與電感量L和輸出電流I成正比,因而具有極高的電感/體積比 L/V。這種優(yōu)質(zhì)的特性是歸功于一種新穎的思路和獨特設(shè)計方法,比如說,一個適合于3.5MHz工作頻率, 輸出電流100A的NIF, 它的電感足以使100A VTM功率芯片的輸出紋波系數(shù)小于0.1%—0.05%,但它的體積只相當于這個功率芯片VTM中的功率變壓器的體積。如果我們把它集成在VTM內(nèi),因為它非常的小,不至于太多的降低功率芯片的功率密度。
NIF的極高的電感/體積比 L/V,使電源的各個組成部分得到了平衡的發(fā)展,將使高功率密度高頻DC/DC開關(guān)電源模塊,或者功率芯片,在所有的負載情況下,都能達到很低的紋波系數(shù)。從而使數(shù)十年來開關(guān)電源不斷努力追求的兩個基本目標得以實現(xiàn)。
還需要著重提及的是,由于NIF不是一個儲能元件,因此它不是提高響應(yīng)速度的限制性因素,這也是NIF無與倫比的優(yōu)越性之一。
七、關(guān)于響應(yīng)速度
最后,有必要對電源的紋波系數(shù)指標和響應(yīng)速度的關(guān)系加以分析,我們知道,一個控制系統(tǒng)的動態(tài)指標和靜態(tài)指標之間是有矛盾的。比如說,一個理想的感應(yīng)分壓器(變壓器)或者電阻分壓器,它們的響應(yīng)速度是極快極快的。但是,它們的諧波抑制能力等于零。同樣的,功率芯片VTM中的變壓器,接近于理想變壓器,因此有很快的響應(yīng)速度,但是,它們的紋波抑制能力則是不強的。至于是主要滿足靜態(tài)指標還是動態(tài)指標,這要根據(jù)使用者的需要來綜合考慮確定。比如說,先根據(jù)要求設(shè)計濾波器以達到100A輸出時紋波系數(shù)小于0.05%,這時響應(yīng)速度可能不夠,我們則可采用合適的閉環(huán)控制,如果控制系統(tǒng)具有足夠的開環(huán)增益與合理的開環(huán)頻率特性函數(shù),一般來說也可以達到預(yù)定的閉環(huán)響應(yīng)速度。
八、對開關(guān)電源發(fā)展的展望
在高頻化方面:頻率的提高肯定是有極限的?;镜碾娐防碚摳嬖V我們:一個周期的時間應(yīng)當比一個開關(guān)的動作時間長得多,否則過渡過程的處理就會越來越困難,而一個開關(guān)能量的釋放,電路中的儲能元件能量(或電荷)的轉(zhuǎn)移都是需要時間的,能量越大需要的時間就越長。另外還存在著高頻工作受寄生參數(shù)的影響越來越大、控制電路越來越復(fù)雜等更多的難題。能量是不能突變的,我們無法‘制造永動機’。
在小型化方面:以功率密度為120-180W/in3的軟開關(guān)高頻DC/DC模塊仍然是當今世界模塊電源最佳的主流產(chǎn)品。新出現(xiàn)的分比式功率架構(gòu)中的功率芯片,其功率密度甚至達到了1000W/in3,3.5MHz。它的工作頻率再一次的提高比從20KHz提高到數(shù)百KHz要困難得多。這似乎在說明,在現(xiàn)在微電子技術(shù)的條件下,或者已經(jīng)接近到頻率使用的極限。如果超出了這個范圍,電源制造的難度將顯著加大,是否合理可能發(fā)生問題。另外,由于直流電源系統(tǒng)內(nèi)部各部分技術(shù)的發(fā)展存在不均衡性,其中發(fā)展最快的是整流器技術(shù),而配電技術(shù)則相對發(fā)展緩慢。以通信電源系統(tǒng)為例,一次電源的核心部件整流器的功率密度不斷提高,推動了通信直流電源整機的功率密度不斷提高,但由于配電器件、蓄電池等密度基本維持穩(wěn)定,這也一定程度制約了整機系統(tǒng)的功率密度的提高比率。
在元器件、控制技術(shù)和制造工藝、集成技術(shù)等等其它方面:在現(xiàn)在電子技術(shù)的條件下,除了還沒有發(fā)現(xiàn)新的物質(zhì)特性,如常溫超導(dǎo)等物質(zhì)特性外,我們已經(jīng)成功的解決了很多的問題:如功率半導(dǎo)體器件、高頻磁元件的材料、功率變壓器、新型電容電感、諧振技術(shù)與軟開關(guān)、同步整流技術(shù)、分布電源結(jié)構(gòu)、PFC變換器、全數(shù)字化控制、電磁兼容性、設(shè)計和測試技術(shù)、控制系統(tǒng)的集成化等等。
據(jù)此,有的學(xué)者認為:按照“創(chuàng)造性解決問題的理論”,這個描述技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展進化規(guī)律的理論,一般而言,技術(shù)的生命周期包含四個階段:嬰兒期、成長期、成熟期和衰退期,種種跡象表明,目前直流電源的核心技術(shù)--開關(guān)電源技術(shù)基本上開始步入成熟期:效率的提升變得緩慢和困難、而電源損耗不能大幅度降低限制了功率密度的進一步提高,……未來幾年甚至十幾年內(nèi),直流電源產(chǎn)品將進入一個緩慢發(fā)展的階段,直至有一天,一種新的電源變換技術(shù)出現(xiàn),直流電源產(chǎn)品就會再出現(xiàn)一個階躍性的發(fā)展,就象開關(guān)穩(wěn)壓技術(shù)替代線性穩(wěn)壓技術(shù),給電源帶來了革命性的變化。
我認為,這個推斷大致是正確的。但是,在這種新的電源變換技術(shù)出現(xiàn)之前,我們還能夠作些什么呢?
現(xiàn)在電源制造的標準與規(guī)格是五花八門的,這是技術(shù)落后時代的產(chǎn)物,不利于技術(shù)的進步,也不利于用戶的使用。在電源技術(shù)步入成熟的今天,我們應(yīng)當力求使電源的制造標準統(tǒng)一于一種先進的模式。
我十分欣賞和贊成分比式功率架構(gòu)這種靈活的電源組成結(jié)構(gòu),根據(jù)這種芯片化的思想,我們可以按照組成電源的各個功能部件,全部制成相應(yīng)的功能(功率)芯片,這樣一來,我們就可以根據(jù)需要,基本上不用任何的外接元器件,通過串并聯(lián)、反饋即可組成任何輸出電壓、電流和功率、各種規(guī)格與指標的電源。
這些功能(功率)芯片是組成電源最基本的單元,它們應(yīng)該有最優(yōu)秀的品質(zhì),不用任何的外接元器件。芯片的制造標準化,并有各種規(guī)格。
這也許是我們這個發(fā)展階段最好的選擇。
上面的文章僅僅是提出了問題,在以后的文章中,本人將對必須涉及的,更多的具體問題,全面詳細的展開討論與評估,并力圖提出解決這些問題的思想和方法。同時也歡迎電源業(yè)界的同行們,參與我們的討論和評議。
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