新型開關(guān)電源技術(shù)的探析

　　開關(guān)電源一直是電子行業(yè)里非常熱門的技術(shù)，雖然它并的性能并不能對我們?nèi)粘Ｉ畹母淖儙硖旆馗驳淖兓?，而它的發(fā)展趨勢又是電子產(chǎn)品設(shè)計師和商家所關(guān)注的問題之一，新的產(chǎn)品必然會帶動更多的商家訂單和客戶消費(fèi)。根據(jù)市場開關(guān)電源的現(xiàn)狀和發(fā)展，總結(jié)出五大設(shè)計性能關(guān)注焦點，下面一一為大家解析。

　　關(guān)注點之一：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，有許多問題需要研究。而我們在性能上對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，磁性能才會優(yōu)越。適用于兆赫級頻率的磁性材料是用戶的一大關(guān)注點，納米結(jié)晶軟磁材料也已得到開發(fā)應(yīng)用。

　　然后在擁有了高頻化技術(shù)之后，提高開關(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)計人員必須開發(fā)和應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)。而這種軟開關(guān)技術(shù)的研究已經(jīng)成為行業(yè)的多年來的科研熱點，得到越來越多的設(shè)計者們的關(guān)注。

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

　　關(guān)注點之二：開關(guān)電源的功率密度的改進(jìn)

　　提高開關(guān)電源的功率密度，使之小型化、輕量化，是設(shè)計者的關(guān)注之一。電源的小型化、減輕重量對便攜式電子設(shè)備(如移動電話，數(shù)字相機(jī)等)尤為重要，設(shè)計者們將通過三種方案來做到降低開關(guān)電源的功率密度。

　　第一種方案是實現(xiàn)高頻化。為了實現(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”變換和“振動-電壓”變換的性質(zhì)傳送能量，其等效電路如同一個串并聯(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“超級結(jié)”(Super-Junction)結(jié)構(gòu)，又稱超結(jié)功率MOSFET。工作電壓在600V～800V，通態(tài)電阻幾乎降低了一個數(shù)量級，仍保持開關(guān)速度快的特點，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，電壓、電流額定值只有600V、25A。很長一段時間內(nèi)，耐壓水平限于1200V～1700V，經(jīng)過長時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(硬開關(guān))和300kHz(軟開關(guān))，大大提高了應(yīng)用性能。

　　我們看到的IGBT技術(shù)進(jìn)展實際上是通態(tài)壓降，快速開關(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)我們原有的產(chǎn)品設(shè)計性能。

　　關(guān)注點之四：分布電源結(jié)構(gòu)

　　在說到分布電源結(jié)構(gòu)之前我們先說一下分布電源系統(tǒng)，　現(xiàn)在分布電源系統(tǒng)有兩種結(jié)構(gòu)類型有兩級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)兩種類型。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，它有著可實現(xiàn)DC/DC變換器組件模塊化、容易實現(xiàn)N+1功率冗余、易于擴(kuò)增負(fù)載容量、可降低48V母線上的電流和電壓降、容易做到熱分布均勻、便于散熱設(shè)計、瞬態(tài)響應(yīng)好，可在線更換失效模塊等優(yōu)點。

　　關(guān)注點之五：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，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)稱為有源功率因數(shù)校正APFC單相APFC國內(nèi)外開發(fā)較早，技術(shù)已較成熟;三相APFC的拓?fù)?/strong>類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開關(guān)電源，由兩級拓?fù)浣M成，對于小功率AC/DC開關(guān)電源來說，采用兩級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總體效率低、成本高。

　　如果對輸入端功率因數(shù)要求不特別高時，將PFC變換器和后級DC/DC變換器組合成一個拓?fù)洌瑯?gòu)成單級高功率因數(shù)AC/DC開關(guān)電源，只用一個主開關(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，最終實現(xiàn)總體的效率提高，成本降低。