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開關電源（yuán）技術發展的十個關（guān）注點

上世紀60年代，開關電源的問世，使其（qí）逐步取代（dài）了線性（xìng）穩壓電源（yuán）和SCR相（xiàng）控電源。40多年來，開關電源技術有了飛迅（xùn）發展和變化，經曆了功率半導體器件、高頻化和軟開關技術、開關電源（yuán）係（xì）統的集成技術三個發展階段。

　　功率半導體器件從雙（shuāng）極型器件（jiàn）(BPT、SCR、GTO)發展（zhǎn）為（wéi）MOS型器件(功率MOSFET、

　　IGBT、IGCT等)，使（shǐ）電力電子係（xì）統有可能實現高頻化，並大幅度降低導通損（sǔn）耗，電路也更為簡單。

　　自上世紀80年代開始，高（gāo）頻化（huà）和軟開關技術的開發研究，使功率（lǜ）變換器性能更好（hǎo）、重量更輕（qīng）、尺寸更小。高（gāo）頻化和軟開關技術（shù）是過去20年國（guó）際電力電子界研究的熱（rè）點之一。

　　上世紀90年代中期，集成（chéng）電力電子係統和集成電（diàn）力電子模塊(IPEM)技術開始發展，它是當今國際電力電（diàn）子界亟（jí）待解決的新問題之一。

　　關注點一：功率半導體器（qì）件性能

　　1998年，INFINEON公司推（tuī）出冷MOS管，它采用“超級結”(Super-Junction)結構，故又稱超結功率MOSFET。工作電壓（yā）600V～800V，通態電阻幾乎降低了一個數量級，仍保持開關速度快的（de）特點，是一種有（yǒu）發展（zhǎn）前途的高頻功率半導體器（qì）件。

　　IGBT剛出現時，電（diàn）壓（yā）、電流額定值隻有600V、25A。很長一段時間內，耐壓水平限於1200V～1700V，經過長時間（jiān）的探索研究和改進，現在IGBT的電壓（yā）、電流額定值已分別達到3300V/1200A和4500V/1800A，高壓IGBT單片耐壓已達到6500V，一般IGBT的工作頻率上限為20kHz～40kHz，基於穿通(PT)型結構應用新技術製造的IGBT，可（kě）工（gōng）作於150kHz(硬開關)和300kHz(軟開關)。

　　IGBT的技術進展實際上是通態壓（yā）降（jiàng），快速開關和高耐壓能力三者的折中（zhōng）。隨著工藝和結構形式的不同，IGBT在20年（nián）曆（lì）史發展進程中，有以下幾種類型：穿通(PT)型、非穿通(NPT)型、軟穿通(SPT)型、溝漕型和電場（chǎng）截止(FS)型。

　　碳化矽SiC是功率（lǜ）半導體器件晶片的理想材料，其優點是：禁帶寬、工（gōng）作（zuò）溫度（dù）高(可達（dá）600℃)、熱穩（wěn）定性好、通態電阻（zǔ）小、導熱性能好、漏電流極小、PN結耐壓高等，有利於製造出耐高溫的高（gāo）頻大功率半導體器件。

　　可以預見，碳化（huà）矽將是21世紀*可（kě）能成（chéng）功應用的（de）新型（xíng）功率半導體器件材料。

　　關（guān）注點（diǎn）二：開關電源功率密度

　　提高開關電源的功率密度，使之小型化、輕量化，是人們不斷努力追求（qiú）的目（mù）標。電源的高頻化是國際電力電子界（jiè）研究的熱點之一。電源的小型化、減輕重量對（duì）便攜式電子設（shè）備(如（rú）移動電話，數字相（xiàng）機等（děng）)尤（yóu）為重要。使（shǐ）開（kāi）關電源小型化的具體辦法有：

　　一是高頻化。為了（le）實現電（diàn）源高功率密度，必須提（tí）高PWM變換器（qì）的工作（zuò）頻（pín）率、從而減小電路中儲能元件的體積重量。

　　二是應用（yòng）壓電變壓（yā）器。應用壓電變壓器可使高頻功率變換器實（shí）現輕、小、薄和高功（gōng）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”變換的性質傳送能量，其等效電路如同一個串並聯諧振電路（lù），是（shì）功率（lǜ）變換領域的研究熱（rè）點之（zhī）一（yī）。

　　三是（shì）采用新型電容器。為了減小電力電子設備的體積和重量（liàng），必須設法改進電容（róng）器的性能，提高能量密度，並研究開發適合於電力電子及電源係統用的新型電容器，要求電容量大、等效串聯電（diàn）阻ESR小、體積小等（děng）。

　關注點三：高頻磁與同步整流技術

　　電源係統中應用大量磁元件，高頻磁元件的（de）材料（liào）、結構（gòu）和性能都（dōu）不同於工頻磁元件，有許多問題需要（yào）研究。對高頻磁元件所用磁性材料有如下要求：損耗小，散熱性能好，磁性（xìng）能（néng）優越（yuè）。適用於兆赫級頻率的磁（cí）性材料為人們所關注，納米結晶軟磁材料也已開發應用（yòng）。

　　高頻化以後，為了提高開關電源的效（xiào）率，必（bì）須開發和應用軟開關（guān）技術。它是過去幾十年國際電源（yuán）界的一個研究熱點。

　　對於（yú）低電壓、大電流（liú）輸出的軟開（kāi）關變換器，進一步提高其效率的（de）措施是設法降低開關的通態損耗。例如同（tóng）步整流SR技術，即以功率MOS管反接作為整（zhěng）流用開關二極管，代替蕭（xiāo）特基二極管（guǎn）(SBD)，可降低管（guǎn）壓降，從（cóng）而提高電路效率。

　　關注點四：分布電源結構

　　分布電源係統適合於用作超高速集成（chéng）電路組成的大型工作站（zhàn）(如圖像處（chù）理站)、大型數字電子交換係統等的電源，其優點是：可實現（xiàn）DC/DC變換器組件模塊化（huà）；容（róng）易實現N+1功率冗餘，提高係統可*性；易於擴增負載容量；可降低48V母線上的電流（liú）和電壓降；容易做到熱分布均勻、便於散熱設計；瞬態響（xiǎng）應好；可在線更換失效模塊等。

　　現（xiàn）在分布電源係統有（yǒu）兩種結構類型，一是（shì）兩級結構，另一種是（shì）三級結構。

　　關注點五：PFC變換器

　　由於（yú）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（yuán）供電的電（diàn）子設備（bèi），電網側(交流輸入端)功（gōng）率因數僅（jǐn）為0.6～0.65。采用（yòng）PFC(功率因數校正)變換器，網側功率因數可提（tí）高到0.95～0.99，輸入電流THD小於10%。既治（zhì）理了電網的（de）諧波汙染，又提高了電源的整體（tǐ）效率。這一技術稱為有源功率因數（shù）校正APFC單相APFC國內（nèi）外開發較早，技術已較成熟；三相APFC的拓撲類型和控製策略雖然（rán）已經有很多種，但還有（yǒu）待繼（jì）續研究發展。

　　一般高功率因數AC/DC開關電源，由兩級（jí）拓撲（pū）組成（chéng），對於小功（gōng）率AC/DC開關（guān）電源來（lái）說，采用兩級拓撲結（jié）構總體效率低、成本高。

　　如果對輸入端功率因數要求不特別（bié）高時，將PFC變換器和後級DC/DC變換器組合成一個拓撲，構（gòu）成單級高功率因數AC/DC開關電（diàn）源，隻用一個主開關管，可使功率（lǜ）因數校（xiào）正到0.8以上，並使輸出直流電壓可（kě）調，這種拓撲結構稱為單管單級（jí）即S4PFC變換器。

　　關注點六：電壓調節器模塊VRM

　　電壓調節器（qì）模塊（kuài）是一類低電壓、大電（diàn）流輸出DC-DC變（biàn）換器模塊，向微處理器提供電源。現在數據處理係統的（de）速度和效率日益提高，為降低（dī）微處理器IC的電場強度和功耗，必須降低邏（luó）輯（jí）電壓（yā），新一代微處理器的（de）邏輯電壓已降低至1V，而電流則高（gāo）達50A～100A，所以對VRM的要（yào）**：輸出電壓很低、輸出（chū）電流大（dà）、電（diàn）流變化率高、快速響應等。

　　關注點七：全數字化控製（zhì）

　　電源的控製已經由模擬控製，模數混合控製，進入到全數字控製階段。全數字控製是一個新（xīn）的發展趨勢，已經在許多功率變換設備中（zhōng）得到應用。

　　但是（shì）過去數字控製在DC/DC變換器中用得較少。近兩年來，電源的高性（xìng）能全數字控製芯片已經開發，費用也已降到比較合理的水平，歐美已（yǐ）有多家公司開發並製造出開關變換器的數字控製芯片及（jí）軟件。

　　全數字控製的優點（diǎn）是：數字信號與混合模數信號相比（bǐ）可以標定更小的量，芯片價格也更低廉；對電流檢測誤差可以（yǐ）進行**的（de）數字校（xiào）正，電壓檢測也更**；可以實現快速，靈活的控製設計。

　　關注點八：電磁兼容性

　　高頻（pín）開關（guān）電源的電磁（cí）兼容EMC問題有其特殊性。功率半導體開關管在開關過程中產生的di/dt和dv/dt，引起強大的傳導電磁（cí）幹擾和諧波幹擾。有些情況還會（huì）引（yǐn）起強（qiáng）電（diàn）磁場(通常是近場)輻射。不但嚴（yán）重汙染周（zhōu）圍電（diàn）磁環境，對附（fù）近的電氣（qì）設備造（zào）成電磁幹擾，還可（kě）能危及附近操作人員的**。同時，電（diàn）力電子電路(如開關變換器)內部的（de）控製（zhì）電（diàn）路也必須能承受開關動作產生的EMI及（jí）應用現場電磁噪聲的幹擾（rǎo）。上述特殊性，再加上EMI測量上的具體困難（nán），在電力電子的電磁兼容領域裏，存在著許多交*科學的前沿課題有待人們研究。國內外許（xǔ）多大學均開展了電力電子電路的電磁幹擾和電磁（cí）兼容性問題的研究（jiū），並取得了不少可喜成果。近幾年研究成果表明，開關變換器中的電磁（cí）噪音源，主要來自主開關器件的開關作用所產生的電壓、電流變（biàn）化。變化速（sù）度越快，電磁噪音越大。

　　關注點九：設計和測試技術

　　建模、仿真和CAD是一種新的設計工（gōng）具。為仿真電（diàn）源係統，首先要建立仿（fǎng）真模型，包括電力電子器件、變換器電路、數字和模擬控製電路以及磁元件和磁場分布（bù）模型等，還（hái）要考慮開關管（guǎn）的熱模型、可*性模型和EMC模型。各種模型差別很大，建模的發展方向是：數字（zì）-模擬混合建模、混合層次建模（mó）以及將各種模型組成（chéng）一個統一的多層次模（mó）型等。

　　電源係統的CAD，包（bāo）括主（zhǔ）電路和控製電路設（shè）計、器件（jiàn）選擇、參數*優化、磁設計、熱設計、EMI設計和印製電路板設計、可*性預估、計算機輔助綜合和（hé）優化設計等。用基於仿真（zhēn）的專家係統進行電源係統的CAD，可使所設計的係統（tǒng）性能*優，減少設計製造費用（yòng），並能做（zuò）可製造性分析，是21世紀仿（fǎng）真（zhēn）和CAD技術的發展方向之一。此外，電源係統的熱測試（shì）、EMI測試、可*性測（cè）試（shì）等技術的開發、研究與應用也是應大力（lì）發展的。

　　關注點十：係統集（jí）成技術

　　電源設備的製造特點是：非標準件多（duō）、勞動強度大、設計周期長、成本高、可*性低等（děng），而用戶要求製造廠生產的電源產品更加實用、可*性更高、更輕小、成本更低。這些情況使電源製造（zào）廠家承受巨大壓力，迫切（qiē）需（xū）要開展集成電源模塊的研究開發，使電源產品的標準化、模（mó）塊化、可（kě）製造（zào）性、規模生產、降低成本（běn）等目標得以實現。

　　實（shí）際上（shàng），在電源集成技術的發展進程中，已經經曆（lì）了電力半導體器件模塊化，功率與控製電路的集成化，集成無源元件（jiàn）(包括磁（cí）集（jí）成技術)等發展階段。近年來的發展方（fāng）向是將小功率電源（yuán）係統集成在一個芯片上（shàng），可以（yǐ）使電源產品更為緊湊（còu），體積更小，也減小了引線長度，從而減小了寄生參數。在此基礎上，可以實現一（yī）體（tǐ）化，所有元器件連同控製保護集成在（zài）一個模塊中。

　　上世紀90年代，隨（suí）著大（dà）規模分布電源係統的發展（zhǎn），一體化的設（shè）計觀念被推廣到更大容量、更高電壓的電源係統集成，提高了集成度，出現了集成電力電子模塊(IPEM)。IPEM將功率器件與電路、控製以及（jí）檢測、執行等元件集成封裝，得到標準的，可製造的模塊，既可用於標準設（shè）計，也可用於專用、特殊設計。優點是可快速高效為用戶提供產品（pǐn），顯著降低成本（běn），提高（gāo）可*性。

　　總之，電源係統集成是當今國際電力電子界亟待解決的新問（wèn）題之（zhī）一。

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