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電源系統(tǒng)應(yīng)用元件特征

信息來源:本站 日期:2017-05-02 

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功率半導(dǎo)體器件機(jī)能

MOS管,它采用“超級結(jié)”(Super-Junction)結(jié)構(gòu),故又稱超結(jié)功率MOSFET。全數(shù)字控制是發(fā)展趨勢,已經(jīng)在很多功率變換設(shè)備中得到應(yīng)用。既管理了對電網(wǎng)的諧波污染,又進(jìn)步了電源的整體效率。跟著脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)的發(fā)展,PWM開關(guān)電源問世,它的特點(diǎn)是用20kHz的載波進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制,電源的效率可達(dá)65%"70%,而線性電源的效率只有30%"40%。高頻化和軟開關(guān)技術(shù)是過去20年國際電力電子界研究的熱門之一。此外,還要求開關(guān)電源效率要更高,機(jī)能更好,可靠性更高等。應(yīng)用壓電變壓器可使高頻功率變換器實(shí)現(xiàn)輕、小、薄和高功率密度。

系統(tǒng)集成技術(shù)

電源設(shè)備的制造特點(diǎn)長短尺度件多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、設(shè)計(jì)周期長、本錢高、可靠性低等,而用戶要求制造廠出產(chǎn)的電源產(chǎn)品更加實(shí)用、可靠性更高、更輕小、本錢更低。

第三個(gè)階段從20世紀(jì)90年代中期開始,集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊(IPEM)技術(shù)開始發(fā)展,它是當(dāng)今國際電力電子界亟待解決的新題目之一。使開關(guān)電源小型化的詳細(xì)辦法有以下幾種。

開關(guān)電源的三個(gè)重要發(fā)展階段開關(guān)電源經(jīng)歷了三個(gè)重要發(fā)展階段。

第二個(gè)階段自20世紀(jì)80年代開始,高頻化和軟開關(guān)技術(shù)的研究開發(fā),使功率變換器機(jī)能更好、重量更輕、尺寸更小。

全數(shù)字化控制

電源的控制已經(jīng)過模擬控制,模數(shù)混合控制,進(jìn)入到全數(shù)字控制階段。這一技術(shù)稱為有源功率因數(shù)校正(APFC),單相APFC海內(nèi)外開發(fā)較早,技術(shù)已較成熟;三相APFC的拓?fù)漕愋秃涂刂撇呗怨倘灰呀?jīng)有良多種,但還有待繼承研究發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)電源高功率密度,必需進(jìn)步PWM變換器的工作頻率、從而減小電路中儲(chǔ)能元件的體積重量。

開關(guān)電源功率密度

進(jìn)步開關(guān)電源的功率密度,使之小型化、輕量化,是人們不斷追求的目標(biāo)。這對便攜式電子設(shè)備(如移動(dòng)電話,數(shù)字相機(jī)等)尤為重要。這一切高新要求便促進(jìn)了開關(guān)電源的不斷發(fā)展和提高。跟著超大規(guī)模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不斷減小,電源的尺寸與微處理器比擬要大得多;而航天、潛艇、軍用開關(guān)電源以及用電池的便攜式電子設(shè)備(如手提計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話等)更需要小型化、輕量化的電源。上述特殊性,再加上EMI丈量上的詳細(xì)難題,在電力電子的電磁兼容領(lǐng)域里,存在著很多交叉學(xué)科的前沿課題有待人們研究。壓電變壓器利用壓電陶瓷材料特有的“電壓-振動(dòng)”變換和“振動(dòng)-電壓”變換的性質(zhì)傳送能量,其等效電路如統(tǒng)一個(gè)串并聯(lián)諧振電路,是功率變換領(lǐng)域的研究熱門之一。因此,對開關(guān)電源提出了小型輕量要求,包括磁性元件和電容的體積重量也要小。因此,用工作頻率為20kHz的PWM開關(guān)電源替換線性電源,可大幅度節(jié)約能源,從而引起了人們的廣泛關(guān)注,在電源技術(shù)發(fā)展史上被譽(yù)為20kHz革命。

三是采用新型電容器。

二是應(yīng)用壓電變壓器。工作電壓600"800V,通態(tài)電阻幾乎降低了一個(gè)數(shù)目級,仍保持開關(guān)速度快的特點(diǎn),是一種有發(fā)展前途的高頻功率半導(dǎo)體器件。假如對輸入端功率因數(shù)要求不特別高時(shí),將PFC變換器和后級DC/DC變換器組合成一個(gè)拓?fù)?,?gòu)成單級高功率因數(shù)AC/DC開關(guān)電源,只用一個(gè)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),這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稱為單管單級PFC變換器。合用于兆赫級頻率的磁性材料為人們所關(guān)注,納米結(jié)晶軟磁材料也已開發(fā)應(yīng)用。

功率因數(shù)校正(PFC)變換器因?yàn)锳C/DC變換電路的輸入端有整流器件和濾波電容,在正弦電壓輸入時(shí),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。同時(shí),電力電子電路(如開關(guān)變換器)內(nèi)部的控制電路也必需能承受開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的EMI及應(yīng)用現(xiàn)場電磁噪聲的干擾。

上世紀(jì)90年代,跟著大規(guī)模分布電源系統(tǒng)的發(fā)展,一體化的設(shè)計(jì)觀念被推廣到更大容量、更高電壓的電源系統(tǒng)集成,進(jìn)步了集成度,泛起了集成電力電子模塊(IPEM)。在此基礎(chǔ)上,可以實(shí)現(xiàn)一體化,所有元器件連同控制保護(hù)集成在一個(gè)模塊中。長處是可快速高效為用戶提供產(chǎn)品,明顯降低本錢,進(jìn)步可靠性。

一是高頻化。開關(guān)穩(wěn)壓電源(以下簡稱開關(guān)電源)問世后,在良多領(lǐng)域逐步取代了線性穩(wěn)壓電源和晶閘管相控電源。

全數(shù)字控制的長處是數(shù)字信號與混合模數(shù)信號比擬可以標(biāo)定更小的量,芯片價(jià)格也更低廉;對電流檢測誤差可以進(jìn)行精確的數(shù)字校正,電壓檢測也更精確;可以實(shí)現(xiàn)快速,靈活的控制設(shè)計(jì)。這些情況使電源制造廠家承受巨大壓力,迫切需要開展集成電源模塊的研究開發(fā),使電源產(chǎn)品的尺度化、模塊化、可制造性、規(guī)模出產(chǎn)、降低本錢等目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。

可以預(yù)見,碳化硅二極管將是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。

高頻磁性元件

電源系統(tǒng)中應(yīng)用大量磁元件,高頻磁元件的材料、結(jié)構(gòu)和機(jī)能都不同于工頻磁元件,有很多題目需要研究。

近兩年來,高機(jī)能全數(shù)字控制芯片已經(jīng)開發(fā),用度也已降到比較公道的水平,歐美已有多家公司開發(fā)并制造出開關(guān)變換器的數(shù)字控制芯片及軟件。

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、本錢高。

電磁兼容性

高頻開關(guān)電源的電磁兼容(EMC)題目有其特殊性。

實(shí)際上,在電源集成技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中,已經(jīng)經(jīng)歷了電力半導(dǎo)體器件模塊化,功率與控制電路的集成化,集成無源元件(包括磁集成技術(shù))等發(fā)展階段。功率半導(dǎo)體器件在開關(guān)過程中所產(chǎn)生的di/dt和dv/dt,將引起強(qiáng)盛的傳導(dǎo)電磁干擾和諧波干擾,以及強(qiáng)電磁場(通常是近場)輻射。

IPEM將功率器件與電路、控制以及檢測、執(zhí)行等單元集成封裝,得到尺度的,可制造的模塊,既可用于尺度設(shè)計(jì),也可用于專用、特殊設(shè)計(jì)。海內(nèi)外很多大學(xué)均開展了電力電子電路的電磁干擾和電磁兼容性題目的研究,并取得了不少可喜成果。早期泛起的是串聯(lián)型開關(guān)電源,其主電路拓?fù)渑c線性電源相仿,但MOS管封裝功率晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)。采用功率因數(shù)校正(PFC)變換器,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可進(jìn)步到0.95"0.99,輸入電流THD<10%。
第一個(gè)階段是功率半導(dǎo)體器件從雙極型器件(BPT、SCR、GT0)發(fā)展為MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等),使電力電子系統(tǒng)有可能實(shí)現(xiàn)高頻化,并大幅度降低導(dǎo)通損耗,電路也更為簡樸。為了減小電力電子設(shè)備的體積和重量,須想法改進(jìn)電容器的機(jī)能,進(jìn)步能量密度,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、體積小等。近年來的發(fā)展方向是將小功率電源系統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上,可以使電源產(chǎn)品更為緊湊,體積更小,也減小了引線長度,從而減小了寄生參數(shù)。對高頻磁元件所用的磁性材料,要求其損耗小、散熱機(jī)能好、磁機(jī)能優(yōu)勝。

碳化硅(SiC)是功率半導(dǎo)體器件晶片的理想材料,其長處是禁帶寬、工作溫度高(可達(dá)600℃)、熱不亂性好、通態(tài)電阻小、導(dǎo)熱機(jī)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)體器件。


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