开关电源技术发展的十个关注点)(DOC5)4057.doc

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1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.开关电源技术发展的十个关注点上世纪年代，开关电源的问世，使其逐步取代了线性稳压电源和相控电源。多年来，开关电源技术有了飞迅发展和变化，经历了功率半导体器件、高频化和软开关技术、开关电源系统的集成技术三个个发展阶阶段。功率半导体体器件从从双极型型器件(、)发展为为型器件件(功率、等等)，使电力电子系系统有可可能实现现高频化化，并大大幅度降降低导通通损耗，电电路也更更为简单单。自上世纪年年代开始始，高频频化和软软开关技技术的开开发研究究，使功功率变换换器性能能更

2、好、重重量更轻轻、尺寸寸更小。高频频化和软软开关技技术是过过去年国国际电力力电子界界研究的的热点之之一。上世纪年代代中期，集集成电力力电子系系统和集集成电力力电子模模块()技术开开始发展展，它是是当今国国际电力电子界亟亟待解决决的新问问题之一一。关注点一：功率半半导体器器件性能能年，公司推推出冷管管，它采采用“超级结”()结构，故故又称超超结功率率。工作电压压，通通态电阻阻几乎降降低了一一个数量量级，仍仍保持开开关速度度快的特特点，是是一种有发展前前途的高高频功率率半导体体器件。刚出现时，电电压、电电流额定定值只有有、255A。很很长一段段时间内内，耐压压水平限限于，经过长长时间的的探索研研究

3、和改改进，现现在的电电压、电电流额定定值已分分别达到到1200AA和18000A，高高压单片片耐压已已达到，一一般的工工作频率率上限为为，基于穿穿通()型结构构应用新新技术制制造的，可可工作于于(硬开关关)和(软开关)。的技术进展展实际上上是通态态压降，快快速开关关和高耐耐压能力力三者的的折中。随随着工艺艺和结构构形式的的不同，在年历历史发展展进程中中，有以以下几种种类型：穿通()型、非非穿通()型、软软穿通()型、沟漕型和和电场截截止()型。碳化硅是功功率半导导体器件件晶片的的理想材材料，其其优点是是：禁带带宽、工工作温度度高(可达6000)、热稳稳定性好、通通态电阻阻小、导导热性能能好、漏

4、漏电流极极小、结结耐压高高等，有有利于制制造出耐耐高温的的高频大大功率半导体器器件。可以预见，碳碳化硅将将是世纪纪最可能能成功应应用的新新型功率率半导体体器件材材料。关注点二：开关电电源功率率密度提高开关电电源的功功率密度度，使之之小型化化、轻量量化，是是人们不不断努力力追求的的目标。电电源的高高频化是是国际电力电子子界研究究的热点点之一。电电源的小小型化、减减轻重量量对便携携式电子子设备(如移动动电话，数数字相机机等)尤为重重要。使使开关电电源小型型化的具具体办法法有：一是高频化化。为了了实现电电源高功功率密度度，必须须提高变变换器的的工作频频率、从从而减小小电路中中储能元元件的体积重重量。

5、二是应用压压电变压压器。应应用压电电变压器器可使高高频功率率变换器器实现轻轻、小、薄薄和高功功率密度度。压电变压器器利用压压电陶瓷瓷材料特特有的“电压振振动”变换和“振动电电压”变换的的性质传传送能量量，其等效电路如如同一个个串并联联谐振电电路，是是功率变变换领域域的研究究热点之之一。三是采用新新型电容容器。为为了减小小电力电电子设备备的体积积和重量量，必须须设法改改进电容容器的性性能，提提高能量密度，并并研究开开发适合合于电力力电子及及电源系系统用的的新型电电容器，要要求电容容量大、等等效串联联电阻小、体积小小等。关注点三：高频磁磁与同步步整流技技术电源系统中中应用大大量磁元元件，高高频磁元

6、元件的材材料、结结构和性性能都不不同于工工频磁元元件，有有许多问问题需要研究。对对高频磁磁元件所所用磁性性材料有有如下要要求：损损耗小，散散热性能能好，磁磁性能优优越。适适用于兆兆赫级频率的磁磁性材料料为人们们所关注注，纳米米结晶软软磁材料料也已开开发应用用。高频频化以后后，为了了提高开开关电源的效率，必必须开发发和应用用软开关关技术。它它是过去去几十年年国际电电源界的的一个研研究热点点。对于于低电压压、大电流输输出的软软开关变变换器，进进一步提提高其效效率的措措施是设设法降低低开关的的通态损损耗。例例如同步步整流技术，即即以功率率管反接接作为整整流用开开关二极极管，代代替萧特特基二极极管()

7、，可降降低管压压降，从而提高高电路效效率。关注点四：分布电电源结构构分布电源系系统适合合于用作作超高速速集成电电路组成成的大型型工作站站(如图像像处理站站)、大型型数字电电子交换换系统等的电源源，其优优点是：可实现现变换器器组件模模块化；容易实实现功率率冗余，提提高系统统可靠性性；易于扩增增负载容容量；可可降低母母线上的的电流和和电压降降；容易易做到热热分布均均匀、便便于散热热设计；瞬态响应好；可在线线更换失失效模块块等。现现在分布布电源系系统有两两种结构构类型，一一是两级级结构，另另一种是是三级结构。关注点五：变换器器由于变换电电路的输输入端有有整流元元件和滤滤波电容容，在正正弦电压压输入时

8、时，单相相整流电电源供电电的电子设备，电电网侧(交流输输入端)功率因因数仅为为。采采用(功率因因数校正正)变换器器，网侧侧功率因数可提高高到，输输入电流流小于。既既治理了了电网的的谐波污污染，又又提高了了电源的的整体效率。这一一技术称称为有源源功率因因数校正正单相国国内外开开发较早早，技术术已较成成熟；三三相的拓扑类型和和控制策策略虽然然已经有有很多种种，但还还有待继继续研究究发展。一般高功率率因数开开关电源源，由两两级拓扑扑组成，对对于小功功率开关关电源来来说，采采用两级级拓扑结构总体效效率低、成成本高。如果对输入入端功率率因数要要求不特特别高时时，将变变换器和和后级变变换器组组合成一一个拓

9、扑扑，构成成单级高功率因因数开关关电源，只只用一个个主开关关管，可可使功率率因数校校正到以以上，并并使输出出直流电电压可调，这这种拓扑扑结构称称为单管管单级即即变换器器。关注点六：电压调调节器模模块电压调节器器模块是是一类低低电压、大大电流输输出变换换器模块块，向微微处理器器提供电电源。现现在数据据处理系统的速速度和效效率日益益提高，为为降低微微处理器器的电场场强度和和功耗，必必须降低低逻辑电电压，新新一代微处理器的的逻辑电电压已降降低至，而而电流则则高达550A1000A，所所以对的的要求是是：输出出电压很很低、输出电流大大、电流流变化率率高、快快速响应应等。关注点七：全数字字化控制制电源的

10、控制制已经由由模拟控控制，模模数混合合控制，进进入到全全数字控控制阶段段。全数数字控制制是一个个新的发发展趋势，已经经在许多多功率变变换设备备中得到到应用。但是过去数数字控制制在变换换器中用用得较少少。近两两年来，电电源的高高性能全全数字控控制芯片片已经开开发，费用也已已降到比比较合理理的水平平，欧美美已有多多家公司司开发并并制造出出开关变变换器的的数字控控制芯片片及软件。全数字控制制的优点点是：数数字信号号与混合合模数信信号相比比可以标标定更小小的量，芯芯片价格格也更低低廉；对对电流检测误差差可以进进行精确确的数字字校正，电电压检测测也更精精确；可可以实现现快速，灵灵活的控控制设计计。关注点

11、八：电磁兼兼容性高频开关电电源的电电磁兼容容问题有有其特殊殊性。功功率半导导体开关关管在开开关过程程中产生生的和，引起强大大的传导导电磁干干扰和谐谐波干扰扰。有些些情况还还会引起起强电磁磁场(通常是是近场)辐射。不不但严重污染周周围电磁磁环境，对对附近的的电气设设备造成成电磁干干扰，还还可能危危及附近近操作人人员的安安全。同同时，电力电子子电路(如开关关变换器器)内部的的控制电电路也必必须能承承受开关关动作产产生的及及应用现现场电磁磁噪声的干扰。上上述特殊殊性，再再加上测测量上的的具体困困难，在在电力电电子的电电磁兼容容领域里里，存在在着许多多交叉科学的的前沿课课题有待待人们研研究。国国内外许

12、许多大学学均开展展了电力力电子电电路的电电磁干扰扰和电磁磁兼容性问题的研研究，并并取得了了不少可可喜成果果。近几几年研究究成果表表明，开开关变换换器中的的电磁噪噪音源，主主要来自主开关关器件的的开关作作用所产产生的电电压、电电流变化化。变化化速度越越快，电电磁噪音音越大。关注点九：设计和和测试技技术建模、仿真真和是一一种新的的设计工工具。为为仿真电电源系统统，首先先要建立立仿真模模型，包包括电力力电子器器件、变换器器电路、数数字和模模拟控制制电路以以及磁元元件和磁磁场分布布模型等等，还要要考虑开开关管的的热模型型、可靠性模型型和模型型。各种种模型差差别很大大，建模模的发展展方向是是：数字字模拟

13、混混合建模模、混合合层次建建模以及将各各种模型型组成一一个统一一的多层层次模型型等。电源系统的的，包括括主电路路和控制制电路设设计、器器件选择择、参数数最优化化、磁设设计、热热设计、设设计和印制电路路板设计计、可靠靠性预估估、计算算机辅助助综合和和优化设设计等。用用基于仿仿真的专专家系统统进行电电源系统的，可可使所设设计的系系统性能能最优，减减少设计计制造费费用，并并能做可可制造性性分析，是是世纪仿仿真和技术的发发展方向向之一。此此外，电电源系统统的热测测试、测测试、可可靠性测测试等技技术的开开发、研研究与应用也是是应大力力发展的的。关注点十：系统集集成技术术电源设备的的制造特特点是：非标准准

14、件多、劳劳动强度度大、设设计周期期长、成成本高、可可靠性低低等，而而用户要要求制造厂生生产的电电源产品品更加实实用、可可靠性更更高、更更轻小、成成本更低低。这些些情况使使电源制制造厂家家承受巨大压力力，迫切切需要开开展集成成电源模模块的研研究开发发，使电电源产品品的标准准化、模模块化、可可制造性性、规模生产、降降低成本本等目标标得以实实现。实际上，在在电源集集成技术术的发展展进程中中，已经经经历了了电力半半导体器器件模块块化，功功率与控控制电路路的集成化，集成成无源元元件(包括磁磁集成技技术)等发展展阶段。近近年来的的发展方方向是将将小功率率电源系系统集成成在一个芯片上上，可以以使电源源产品更

15、更为紧凑凑，体积积更小，也也减小了了引线长长度，从从而减小小了寄生生参数。在在此基础上，可可以实现现一体化化，所有有元器件件连同控控制保护护集成在在一个模模块中。上世纪年代代，随着着大规模模分布电电源系统统的发展展，一体体化的设设计观念念被推广广到更大大容量、更更高电压压的电源系统统集成，提提高了集集成度，出出现了集集成电力力电子模模块()。将功功率器件件与电路路、控制制以及检测、执执行等元元件集成成封装，得得到标准准的，可可制造的的模块，既既可用于于标准设设计，也也可用于于专用、特殊设计计。优点点是可快快速高效效为用户户提供产产品，显显著降低低成本，提提高可靠靠性。总之，电源源系统集集成是当当今国际际电力电电子界亟亟待解决决的新问问题之一一。 ()