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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污染,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產的電源產品更加實用、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。

開關電源的三個重要發展階段開關電源經歷了三個重要發展階段。

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。這一技術稱為有源功率因數校正(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。為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

進步開關電源的功率密度,使之小型化、輕量化,是人們不斷追求的目標。這對便攜式電子設備(如移動電話,數字相機等)尤為重要。這一切高新要求便促進了開關電源的不斷發展和提高。跟著超大規模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不斷減小,電源的尺寸與微處理器比擬要大得多;而航天、潛艇、軍用開關電源以及用電池的便攜式電子設備(如手提計算機、移動電話等)更需要小型化、輕量化的電源。上述特殊性,再加上EMI丈量上的詳細難題,在電力電子的電磁兼容領域里,存在著很多交叉學科的前沿課題有待人們研究。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”變換的性質傳送能量,其等效電路如統一個串并聯諧振電路,是功率變換領域的研究熱門之一。因此,對開關電源提出了小型輕量要求,包括磁性元件和電容的體積重量也要小。因此,用工作頻率為20kHz的PWM開關電源替換線性電源,可大幅度節約能源,從而引起了人們的廣泛關注,在電源技術發展史上被譽為20kHz革命。

三是采用新型電容器。

二是應用壓電變壓器。工作電壓600"800V,通態電阻幾乎降低了一個數目級,仍保持開關速度快的特點,是一種有發展前途的高頻功率半導體器件。假如對輸入端功率因數要求不特別高時,將PFC變換器和后級DC/DC變換器組合成一個拓撲,構成單級高功率因數AC/DC開關電源,只用一個主開關管,可使功率因數校正到0.8以上,并使輸出直流電壓可調,這種拓撲結構稱為單管單級PFC變換器。合用于兆赫級頻率的磁性材料為人們所關注,納米結晶軟磁材料也已開發應用。

功率因數校正(PFC)變換器因為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)功率因數僅為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產生的EMI及應用現場電磁噪聲的干擾。

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。長處是可快速高效為用戶提供產品,明顯降低本錢,進步可靠性。

一是高頻化。開關穩壓電源(以下簡稱開關電源)問世后,在良多領域逐步取代了線性穩壓電源和晶閘管相控電源。

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,使電源產品的尺度化、模塊化、可制造性、規模出產、降低本錢等目標得以實現。

可以預見,碳化硅二極管將是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并制造出開關變換器的數字控制芯片及軟件。

一般高功率因數AC/DC開關電源,由兩級拓撲組成,對于小功率AC/DC開關電源來說,采用兩級拓撲結構總體效率低、本錢高。

電磁兼容性

高頻開關電源的電磁兼容(EMC)題目有其特殊性。

實際上,在電源集成技術的發展進程中,已經經歷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產生的di/dt和dv/dt,將引起強盛的傳導電磁干擾和諧波干擾,以及強電磁場(通常是近場)輻射。

IPEM將功率器件與電路、控制以及檢測、執行等單元集成封裝,得到尺度的,可制造的模塊,既可用于尺度設計,也可用于專用、特殊設計。海內外很多大學均開展了電力電子電路的電磁干擾和電磁兼容性題目的研究,并取得了不少可喜成果。早期泛起的是串聯型開關電源,其主電路拓撲與線性電源相仿,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)發展為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,并大幅度降低導通損耗,電路也更為簡樸。為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,并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,可以使電源產品更為緊湊,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,其長處是禁帶寬、工作溫度高(可達600℃)、熱不亂性好、通態電阻小、導熱機能好、漏電流極小、PN結耐壓高等,有利于制造出耐高溫的高頻大功率半導體器件。


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