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電源系統應用元件特征

信息來源:本站 日期:2017-05-02 

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功率半導體器件機能

MOS管,它采用“超級結”(Super-Junction)結構,故又稱超結功率MOSFET。全數字控制是發展趨勢,已經在很多功率變換設備中得到應用。既管理了對電網的諧波汙染,又進步了電源的整體效率。跟著脈寬調制(PWM)技術的發展,PWM開關電源問世,它的特點是用20kHz的載波進行脈沖寬度調制,電源的效率可達65%"70%,而線性電源的效率只有30%"40%。高頻化和軟開關技術是過去20年國際電力電子界研究的熱門之一。此外,還要求開關電源效率要更高,機能更好,可靠性更高等。應用壓電變壓器可使高頻功率變換器實現輕、小、薄和高功率密度。

系統集成技術

電源設備的制造特點長短尺度件多、勞動強度大、設計周期長、本錢高、可靠性低等,而用戶要求制造廠出産的電源産品更加實用、可靠性更高、更輕小、本錢更低。

第三個階段從20世紀90年代中期開始,集成電力電子系統和集成電力電子模塊(IPEM)技術開始發展,它是當今國際電力電子界亟待解決的新題目之一。使開關電源小型化的詳細辦法有以下幾種。

開關電源的三个重要发展阶段開關電源经历了三个重要发展阶段。

第二個階段自20世紀80年代開始,高頻化和軟開關技術的研究開發,使功率變換器機能更好、重量更輕、尺寸更小。

全數字化控制

電源的控制已經過模擬控制,模數混合控制,進入到全數字控制階段。這一技術稱爲有源功率因數校正(APFC),單相APFC海內外開發較早,技術已較成熟;三相APFC的拓撲類型和控制策略固然已經有良多種,但還有待繼承研究發展。爲了實現電源高功率密度,必需進步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。

開關電源功率密度

进步開關電源的功率密度,使之小型化、轻量化,是人们不断追求的目标。这对便携式电子设备(如移动电话,数字相机等)尤为重要。这一切高新要求便促进了開關電源的不断发展和提高。跟着超大规模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不断减小,电源的尺寸与微处理器比拟要大得多;而航天、潜艇、军用開關電源以及用电池的便携式电子设备(如手提计算机、移动电话等)更需要小型化、轻量化的电源。上述特殊性,再加上EMI丈量上的详细难题,在电力电子的电磁兼容领域里,存在着很多交叉学科的前沿课题有待人们研究。压电变压器利用压电陶瓷材料特有的“电压-振动”变换和“振动-电压”变换的性质传送能量,其等效电路如统一个串并联谐振电路,是功率变换领域的研究热门之一。因此,对開關電源提出了小型轻量要求,包括磁性元件和电容的体积重量也要小。因此,用工作频率为20kHz的PWM開關電源替换线性电源,可大幅度节约能源,从而引起了人们的广泛关注,在电源技术发展史上被誉为20kHz革命。

三是采用新型電容器。

二是应用压电变压器。工作电压600"800V,通态电阻几乎降低了一个数目级,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導體器件。假如对输入端功率因数要求不特别高时,将PFC变换器和后级DC/DC变换器组合成一个拓扑,构成单级高功率因数AC/DC開關電源,只用一个主开关管,可使功率因数校正到0.8以上,并使输出直流电压可调,这种拓扑结构称为单管单级PFC变换器。合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。

功率因數校正(PFC)變換器因爲AC/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,單相整流電源供電的電子設備,電網側(交流輸入端)功率因數僅爲0.6-0.65。同時,電力電子電路(如開關變換器)內部的控制電路也必需能承受開關動作産生的EMI及應用現場電磁噪聲的幹擾。

上世紀90年代,跟著大規模分布電源系統的發展,一體化的設計觀念被推廣到更大容量、更高電壓的電源系統集成,進步了集成度,泛起了集成電力電子模塊(IPEM)。在此基礎上,可以實現一體化,所有元器件連同控制保護集成在一個模塊中。長處是可快速高效爲用戶提供産品,明顯降低本錢,進步可靠性。

一是高频化。开关稳压电源(以下简称開關電源)问世后,在良多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。

全數字控制的長處是數字信號與混合模數信號比擬可以標定更小的量,芯片價格也更低廉;對電流檢測誤差可以進行精確的數字校正,電壓檢測也更精確;可以實現快速,靈活的控制設計。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,使電源産品的尺度化、模塊化、可制造性、規模出産、降低本錢等目標得以實現。

可以預見,碳化矽二極管將是21世紀最可能成功應用的新型功率半導體器件材料。

高頻磁性元件

電源系統中應用大量磁元件,高頻磁元件的材料、結構和機能都不同于工頻磁元件,有很多題目需要研究。

近兩年來,高機能全數字控制芯片已經開發,用度也已降到比較公道的水平,歐美已有多家公司開發並制造出開關變換器的數字控制芯片及軟件。

一般高功率因数AC/DC開關電源,由两级拓扑组成,对于小功率AC/DC開關電源来说,采用两级拓扑结构总体效率低、本钱高。

電磁兼容性

高频開關電源的电磁兼容(EMC)题目有其特殊性。

實際上,在電源集成技術的發展進程中,已經經曆了電力半導體器件模塊化,功率與控制電路的集成化,集成無源元件(包括磁集成技術)等發展階段。功率半導體器件在開關過程中所産生的di/dt和dv/dt,將引起強盛的傳導電磁幹擾和諧波幹擾,以及強電磁場(通常是近場)輻射。

IPEM将功率器件与电路、控制以及检测、执行等单元集成封装,得到尺度的,可制造的模块,既可用于尺度设计,也可用于专用、特殊设计。海内外很多大学均开展了电力电子电路的电磁干扰和電磁兼容性题目的研究,并取得了不少可喜成果。早期泛起的是串联型開關電源,其主电路拓扑与线性电源相仿,但MOS管封裝功率晶體管工作于開關狀態。采用功率因數校正(PFC)變換器,網側功率因數可進步到0.95"0.99,輸入電流THD<10%。
第一個階段是功率半導體器件從雙極型器件(BPT、SCR、GT0)發展爲MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等),使電力電子系統有可能實現高頻化,並大幅度降低導通損耗,電路也更爲簡樸。爲了減小電力電子設備的體積和重量,須想法改進電容器的機能,進步能量密度,並研究開發適合于電力電子及電源系統用的新型電容器,要求電容量大、等效串聯電阻(ESR)小、體積小等。近年來的發展方向是將小功率電源系統集成在一個芯片上,可以使電源産品更爲緊湊,體積更小,也減小了引線長度,從而減小了寄生參數。對高頻磁元件所用的磁性材料,要求其損耗小、散熱機能好、磁機能優勝。

碳化硅(SiC)是功率半導體器件晶片的理想材料,其长处是禁带宽、工作温度高(可达600℃)、热不乱性好、通态电阻小、导热机能好、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導體器件。


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