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开关电源技术发展的十个关注点与四大趋势

2019年02月01日 10:27:53来源:保定市四北电子有限公司作者:保定市四北电子有限公司关键词:开关电源
  上世纪60年代,开关电源的问世,使其逐步取代了线性稳压电源和SCR相控电源。40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发展阶段。
 
  功率半导体器件从双极型器件(BPT、SCR、GTO)发展为MOS型器件(功率MOSFET、IGBT、IGCT等),使电力电子系统有可能实现高频化,并大幅度降低导通损耗,电路也更为简单。
 
  自上世纪80年代开始,高频化和软开关技术的开发研究,使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。
 
  上世纪90年代中期,集成电力电子系统和集成电力电子模块(IPEM)技术开始发展,它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。
 
  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器件。
 
  IGBT刚出现时,电压、电流额定值只有600V、25A。很长一段时间内,耐压水平限于1200V~1700V,经过长时间的探索研究和改进,现在IGBT的电压、电流额定值已分别达到3300V/1200A和4500V/1800A,高压IGBT单片耐压已达到6500V,一般IGBT的工作频率上限为20kHz~40kHz,基于穿通(PT)型结构应用新技术制造的IGBT,可工作于150kHz(硬开关)和300kHz(软开关)。
 
  IGBT的技术进展实际上是通态压降,快速开关和高耐压能力三者的折中。随着工艺和结构形式的不同,IGBT在20年历史发展进程中,有以下几种类型:穿通(PT)型、非穿通(NPT)型、软穿通(SPT)型、沟漕型和电场截止(FS)型。
 
  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。为了实现电源高功率密度,必须提高PWM变换器的工作频率、从而减小电路中储能元件的体积重量。
 
  二是应用压电变压器。应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和高功率密度。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,其等效电路如同一个串并联谐振电路,是功率变换领域的研究热点之一。
 
  三是采用新型电容器。为了减小电力电子设备的体积和重量,必须设法改进电容器的性能,提高能量密度,并研究开发适合于电力电子及电源系统用的新型电容器,要求电容量大、等效串联电阻ESR小、体积小等。
 
  关注点三:高频磁与同步整流技术
 
  电源系统中应用大量磁元件,高频磁元件的材料、结构和性能都不同于工频磁元件,有许多问题需要研究。对高频磁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。
 
  高频化以后,为了提高开关电源的效率,必须开发和应用软开关技术。它是过去几十年国际电源界的一个研究热点。
 
  对于低电压、大电流输出的软开关变换器,进一步提高其效率的措施是设法降低开关的通态损耗。例如同步整流SR技术,即以功率MOS管反接作为整流用开关二极管,代替萧特基二极管(SBD),可降低管压降,从而提高电路效率。
 
  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,提高系统可*性;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。
 
  一般高功率因数AC/DC开关电源,由两级拓扑组成,对于小功率AC/DC开关电源来说,采用两级拓扑结构总体效率低、成本高。
 
  如果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开关电源,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即S4PFC变换器。
 
  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。国内外许多大学均开展了电力电子电路的电磁干扰和电磁兼容性问题的研究,并取得了不少可喜成果。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。
 
  实际上,在电源集成技术的发展进程中,已经经历了电力半导体器件模块化,功率与控制电路的集成化,集成无源元件(包括磁集成技术)等发展阶段。近年来的发展方向是将小功率电源系统集成在一个芯片上,可以使电源产品更为紧凑,体积更小,也减小了引线长度,从而减小了寄生参数。在此基础上,可以实现一体化,所有元器件连同控制保护集成在一个模块中。
 
  上世纪90年代,随着大规模分布电源系统的发展,一体化的设计观念被推广到更大容量、更高电压的电源系统集成,提高了集成度,出现了集成电力电子模块(IPEM)。IPEM将功率器件与电路、控制以及检测、执行等元件集成封装,得到标准的,可制造的模块,既可用于标准设计,也可用于专用、特殊设计。优点是可快速高效为用户提供产品,显著降低成本,提高可*性。
 
  总之,电源系统集成是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一
 
  ——效率更高 体积更小 电磁污染更少 可靠性更高
 
  一、非隔离DC/DC技术迅速发展
 
  近年来,非隔离DC/DC技术发展迅速。目前一套电子设备或电子系统由于负载不同,会要求电源系统提供多个电压挡级。如台式PC机就要求有+12V、+5V、+3.3V、-12V四种电压以及待机的+5V电压,主机板上则需要2.5V、1.8V、1.5V甚至1V等。一套AC/DC中不可能给出这样多的电压输出,而大多数低压供电电流都很大,因此开发了很多非隔离的DC/DC,它们基本上可以分成两大类。一类在内部含有功率开关元件,称DC/DC转换器。另一类不含功率开关,需要外接功率MOSFET,称DC/DC控制器。按照电路功能划分,有降压的STEP-DOWN、升压的BOOST,还有能升降压的BUCK-BOOST或SEPIC等,以及正压转成负压的INVERTOR等。其中品种最多,发展最快的还是降压的STEP-DOWN。根据输出电流的大小,分为单相、两相及多相。控制方式上以PWM为主,少部分为PFM。
 
  在非隔离的DC/DC转换技术中,TI公司的预检测栅驱动技术采用数字技术控制同步BUCK,采用这种技术的DC/DC转换效率最高可以达到97%,其中TPS40071等是其代表产品。BOOST升压方式也出现了采用MOSFET代替二极管的同步BOOST的产品。在低压领域,增加效率的幅度很大,而且正在设法进一步消除MOSFET的体二极管的导通及反向恢复问题。
 
  二、开关电源吹响数字化号角
 
  目前在整个的电子模拟电路系统中,电视、音响设备、照片处理、通讯、网络等都逐步实现了数字化,而最后一个没有数字化的堡垒就是电源领域了。近年来,数字电源的研究势头不减,成果也越来越多。在电源数字化方面走在前面的公司有TI和Microchip。TI公司既有DSP方面的优势,又兼并了PWM IC专业制造商UNITRODE公司,该公司已经用TMS320C28F10制成了通讯用的48V输出大功率电源模块,其中PFC和PWM部分完全为数字式控制。现在,TI公司已经研发出了多款数字式PWM控制芯片。目前主要是UCD7000系列、UCD8000系列和UCD9000系列,它们将成为下一代数字电源的探路者。它们总体上既包括硬件部分,还要做软件编程。硬件部分包括PWM的逻辑部分、时钟、放大器环路的模数转换、数模转换以及数字处理、驱动,同步整流的检测和处理等。
 
  目前在电源领域里的竞争主要还是性能价格的竞争,所以数字电源还有很长的路要走,然而电源领域的数字化的号角已经吹响了。
 
  三、初级PWM控制IC不断优化
 
  有源箝位技术历经十余年经久不衰,自从2002年VICOR公司此项专利技术到期解禁之后,各家公司开发的新型有源箝位控制IC如雨后春笋般涌现,给用户提供了充分的选择。
 
  控制早期有源箝位控制技术的TI,不仅保持了原有的UCC3580系列,又新开发了性能更优越的UCC2891-94,它采用电流型控制方式,综合了高边箝位、低边箝位两种控制方案,给出了全新的控制技巧。OnSemi先推出了低压(100V)有源箝位的NCP1560控制芯片,随后又推出了高压应用的控制芯片NCP1280,它既解决了LCD TV等离子TV电源的要求,现在又直指下一代无风扇的PC机电源。美国NS公司的5000系列中专门有一款LM5025的有源箝位控制IC,连名不见经传的Semtech公司也给出了有源箝位的控制芯片,型号是SC4910,可见其背后蕴藏着巨大的市场商机。直到最近TI公司又推出的有源箝位控制IC UCC2897,已经将有源箝位的PWM控制做到了完美无缺。而台商飞兆公司则给出了最廉价的有源箝位控制IC,即SD7558和SD7559。
 
  在大功率领域,全桥移相ZVS软开关技术在解决开关电源的效率上功不可没。从TI公司的UC3875到UCC3895,再从Linear公司的LTC1922到LTC3722增加了自适应检测技术,使全桥移相技术达到了顶峰。然而,在同步整流技术普遍应用的今天,它却无法实现最佳的ZVS同步整流。因为全桥移相电路在本质上是属于非对称的,它无法实现完全的ZVS同步整流,由于其开启和关断过程总有一半是硬开关,因而效率比不上对称电路拓扑的ZVS方式的同步整流。最新的科技成果应该是INTERSIL公司推出的PWM对称全桥的ZVS控制IC-ISL6752。它既能控制初级侧的四个MOS开关为ZVS工作状态,又能准确地给出控制二次侧的同步整流为ZVS工作状态的驱动信号。采用这颗IC制作的400W的DC/DC再加上先进的功率MOSFET,转换效率可达到95%。
 
  对于小功率的开关电源,则仍旧是反激变换器的PWM控制IC,但是它必须要能很好地解决二次侧的同步整流的控制方式。OnSemi公司的NCP1207和NCP1377是高压AC/DC领域的佼佼者。若能再配上TI公司的反激变换器的同步整流控制IC-UCC27226,则能使它们成为几乎完美无瑕的高效率电源。低压DC/DC领域中的反激变换器控制IC中,Linear公司的LTC3806则是上乘之作。LTC3806不仅能控制好PWM,还给出准确的二次侧同步整流驱动信号,是低压小功率电源控制IC的杰作。
 
  综上所述,开关电源设计时可以选择最佳控制方式和最佳电路拓扑。大功率应该是全桥ZVS加上二次侧ZVS同步整流,典型控制IC是ISL6752;中等功率到小功率应该是有源箝位正激变换ZVS软开关配上二次侧的预检测栅驱动技术的同步整流;而小功率应该是配好同步整流的反激变换。当然,这里没有绝对的界限,只是不同的条件下应该有相应的最佳选择。
 
  四、同步整流技术实现高效
 
  从上世纪90年代末期同步整流技术诞生以来,开关电源技术得到了极大的发展,采用IC控制技术的同步整流方案已经为研发工程师普遍接受,现在的同步整流技术都在努力实现ZVS、ZCS方式的同步整流。
 
  从2002年美国银河公司发表了ZVS同步整流技术之后,现在已经得到了广泛应用。这种方式的同步整流系巧妙地将二次侧驱动同步整流的脉冲信号调为比一次侧的PWM脉冲信号的上升沿超前,下降沿滞后的方法实现了同步整流MOS的ZVS方式工作。最新问世的双输出式PWM控制IC几乎都在控制逻辑内增加了对二次侧实现ZVS同步整流的控制端子。例如:Linear公司的LTC3722、LTC3723,INTERSIL公司的ISL6752等。这些IC不仅努力解决好初级侧功率MOSFET的软开关,而且着力解决好二次侧的ZVS方式的同步整流,转换效率可达94%以上。
 
  在非对称的开关电源电路拓扑中,特别是对于性能良好的正激电路或正激有源箝位电路,在二次侧的同步整流中,为了实现ZVS方式的同步整流,消除MOSFET体二极管的导通损耗和反向恢复时间带来的损耗,TI公司的专利技术"预检测栅驱动技术"在控制芯片中增加了大量的数字控制技术,正激电路同步整流的控制芯片UCC27228的诞生使正激电路的效率达到了前所未有的高效率。再配合好初级侧的有源箝位技术之后,使这种最新的电路模式既做到了初级侧的软开关ZVS方式工作,又解决了磁芯复位及能量回馈,减轻了功率MOSFET的电压应力,还做到了二次侧的ZVS最佳状态的同步整流,综合使用这两项技术的中小功率的DC/DC变换器,其效率都在94%以上,功率密度也都能达到200W/in以上。
 
  五、专家观点:能源紧缺急需节能政策出台
 
  目前中国制造的开关电源占了世界市场的80%,但是高端市场上几乎没有我们的份额。我国目前能源紧缺,而电源行业又是一个与能源消耗密切相关的行业,所以需要政府以及学会团体应该在几个方面给电源的发展方向作出指导。
 
  首先,彩电电源的空载功耗。在城市里很多家庭晚上看完电视后,采用遥控关断的方法关机,使电力白白消耗。这时彩电的空载损耗多在3.5W以上,欧洲标准是小于1W,日本标准是小于0.6W。
 
  第二,国内各个家电厂商对于电源的效率要求不高,只要求价格。例如,DVD生产商在外配电源适配器时,宁可选择转换效率不足80%,空载损耗1.5W的49元一台的适配器,却不愿意选择转换效率90%以上,空载损耗<0.6W的59元一台的适配器。
 
  目前,我们国家的石油进口已经超过50%,仍旧是缺油大国,如果私家车再多一些,我们到哪里去弄石油?是否该用法律及政策去鼓励企业和工程师多开发和生产高效率的电源呢?
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