開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展十大關(guān)注焦點

開關(guān)電源一直是電子行業(yè)里非常熱門的技術(shù)，而它的發(fā)展趨勢又是大家必須時刻關(guān)注的問題，不然一不留神就會跟不上技術(shù)發(fā)展的步伐。以下是對開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展關(guān)注焦點的調(diào)查得出的十個熱門關(guān)注點。

關(guān)注點一：功率半導(dǎo)體器件性能

1998年，Infineon公司推出冷mos管，它采用“超級結(jié)”(Super-Junction)結(jié)構(gòu)，故又稱超結(jié)功率MOSFET。工作電壓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。

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，現(xiàn)在IGBT的電壓、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))。

IGBT的技術(shù)進展實際上是通態(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。

可以預(yù)見，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。

關(guān)注點二：開關(guān)電源功率密度

提高開關(guān)電源的功率密度，使之小型化、輕量化，是人們不斷努力追求的目標(biāo)。電源的高頻化是國際電力電子界研究的熱點之一。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)字相機等)尤為重要。使開關(guān)電源小型化的具體辦法有：

一是高頻化。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。

二是應(yīng)用壓電變壓器。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，是功率變換領(lǐng)域的研究熱點之一。

三是采用新型電容器。為了減小電力電子設(shè)備的體積和重量，必須設(shè)法改進電容器的性能，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、體積小等。

關(guān)注點三：高頻磁與同步整流技術(shù)

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)和性能都不同于工頻磁元件，有許多問題需要研究。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，磁性能優(yōu)越。適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。

高頻化以后，為了提高開關(guān)電源的效率，必須開發(fā)和應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)。它是過去幾十年國際電源界的一個研究熱點。

對于低電壓、大電流輸出的軟開關(guān)變換器，進一步提高其效率的措施是設(shè)法降低開關(guān)的通態(tài)損耗。例如同步整流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)，可降低管壓降，從而提高電路效率。

關(guān)注點四：分布電源結(jié)構(gòu)

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，其優(yōu)點是：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。

現(xiàn)在分布電源系統(tǒng)有兩種結(jié)構(gòu)類型，一是兩級結(jié)構(gòu)，另一種是三級結(jié)構(gòu)。

關(guān)注點五：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)漕愋秃涂刂撇呗噪m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)，