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我国开关电源技术发展十大关注焦点
时间:2013-12-16来源:湖南新天力
     开关电源一直是电子行业里非常热门的技术,而它的发展趋势又是大家必须时刻关注的问题,不然一不留神就会跟不上技术发展的步伐。以下是对开关电源技术发展关注焦点的调查得出的十个热门关注点。 

关注点一:功率半导体器件性能
       1998年,Infineon公司推出冷mos管,它采用“超级结”(Super-Junction)结构,故又称超结功率MOSFET。工作电压600V~800V,通态电阻几乎降低了一个数量级,仍保持开关速度快的特点,是一种有发展前途的高频功率半导体电子器件。 碳化硅SiC是功率半导体器件晶片的理想材料,其优点是:禁带宽、工作温度高(可达600℃)、热稳定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、PN结耐压高等,有利于制造出耐高温的高频大功率半导体电子元器件。 
      可以预见,碳化硅将是21世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料。 

关注点二:开关电源功率密度 
      提高开关电源的功率密度,使之小型化、轻量化,是人们不断努力追求的目标。电源的高频化是国际电力电子界研究的热点之一。电源的小型化、减轻重量对便携式电子设备(如移动电话,数字相机等)尤为重要。使开关电源小型化的具体办法有: 
一是高频化。二是应用压电变压器。三是采用新型电容器。

关注点三:高频磁与同步整流技术
电源系统中应用大量磁性元件,高频磁性元件的材料、结构和性能都不同于工频磁性元件,有许多问题需要研究。对高频磁性元件所用磁性材料有如下要求:损耗小,散热性能好,磁性能优越。适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注,纳米结晶软磁材料也已开发应用。

关注点四:分布电源结构 
       分布电源系统适合于用作超高速集成电路组成的大型工作站(如图像处理站)、大型数字电子交换系统等的电源,其优点是:可实现DC/DC变换器组件模块化;容易实现N+1功率冗余,易于扩增负载容量;可降低48V母线上的电流和电压降;容易做到热分布均匀、便于散热设计;瞬态响应好;可在线更换失效模块等。 现在分布电源系统有两种结构类型,一是两级结构,另一种是三级结构。 

关注点五:PFC变换器 
        由于AC/DC变换电路的输入端有整流元件和滤波电容,在正弦电压输入时,单相整流电源供电的电子设备,电网侧(交流输入端)功率因数仅为0.6~0.65。采用PFC(功率因数校正)变换器,网侧功率因数可提高到0.95~0.99,输入电流THD小于10%。既治理了电网的谐波污染,又提高了电源的整体效率。这一技术称为有源功率因数校正APFC单相APFC国内外开发较早,技术已较成熟;三相APFC的拓扑类型和控制策略虽然已经有很多种,但还有待继续研究发展。 

关注点六:电压调节器模块VRM 
        电压调节器模块是一类低电压、大电流输出DC-DC变换器模块,向微处理器提供电源。 
现在数据处理系统的速度和效率日益提高,为降低微处理器IC的电场强度和功耗,必须降低逻辑电压,新一代微处理器的逻辑电压已降低至1V,而电流则高达50A~100A,所以对VRM的要求是:输出电压很低、输出电流大、电流变化率高、快速响应等。 

关注点七:全数字化控制 
       电源的控制已经由模拟控制,模数混合控制,进入到全数字控制阶段。全数字控制是一个新的发展趋势,已经在许多功率变换设备中得到应用。 但是过去数字控制在DC/DC变换器中用得较少。近两年来,电源的高性能全数字控制芯片已经开发,费用也已降到比较合理的水平,欧美已有多家公司开发并制造出开关变换器的数字控制芯片及软件。 全数字控制的优点是:数字信号与混合模数信号相比可以标定更小的量,芯片价格也更低廉;对电流检测误差可以进行精确的数字校正,电压检测也更精确;可以实现快速,灵活的控制设计。

关注点八:电磁兼容性 
      高频开关电源的电磁兼容EMC问题有其特殊性。功率半导体开关管在开关过程中产生的di/dt和dv/dt,引起强大的传导电磁干扰和谐波干扰。有些情况还会引起强电磁场(通常是近场)辐射。不但严重污染周围电磁环境,对附近的电气设备造成电磁干扰,还可能危及附近操作人员的安全。同时,电力电子电路(如开关变换器)内部的控制电路也必须能承受开关动作产生的EMI及应用现场电磁噪声的干扰。上述特殊性,再加上EMI测量上的具体困难,在电力电子的电磁兼容领域里,存在着许多交*科学的前沿课题有待人们研究。近几年研究成果表明,开关变换器中的电磁噪音源,主要来自主开关器件的开关作用所产生的电压、电流变化。变化速度越快,电磁噪音越大。 

关注点九:设计和测试技术 
        建模、仿真和CAD是一种新的设计工具。为仿真电源系统,首先要建立仿真模型,包括电力电子器件、变换器电路、数字和模拟控制电路以及磁元件和磁场分布模型等,还要考虑开关管的热模型、可*性模型和EMC模型。各种模型差别很大,建模的发展方向是:数字-模拟混合建模、混合层次建模以及将各种模型组成一个统一的多层次模型等。 
        电源系统的CAD,包括主电路和控制电路设计、器件选择、参数最优化、磁设计、热设计、EMI设计和印制电路板设计、可*性预估、计算机辅助综合和优化设计等。用基于仿真的专家系统进行电源系统的CAD,可使所设计的系统性能最优,减少设计制造费用,并能做可制造性分析,是21世纪仿真和CAD技术的发展方向之一。此外,电源系统的热测试、EMI测试、可*性测试等技术的开发、研究与应用也是应大力发展的。 

关注点十:系统集成技术 

        电源设备的制造特点是:非标准件多、劳动强度大、设计周期长、成本高、可*性低等,而用户要求制造厂生产的电源产品更加实用、可*性更高、更轻小、成本更低。这些情况使电源制造厂家承受巨大压力,迫切需要开展集成电源模块的研究开发,使电源产品的标准化、模块化、可制造性、规模生产、降低成本等目标得以实现。
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