鉅大LARGE | 點擊量：2093次 | 2020年05月23日
開關電源技術發(fā)展的十個關注點與四大趨勢
上世紀60年代，開關電源的問世，使其逐步取代了線性穩(wěn)壓電源和SCR相控電源。40多年來，開關電源技術有了飛迅發(fā)展和變化，經(jīng)歷了功率半導體器件、高頻化和軟開關技術、開關電源系統(tǒng)的集成技術三個發(fā)展階段。
功率半導體器件從雙極型器件（BPT、SCR、GTO）發(fā)展為MOS型器件（功率MOSFET、IGBT、IGCT等），使電力電子系統(tǒng)有可能實現(xiàn)高頻化，并大幅度降低導通損耗，電路也更為簡單。
自上世紀80年代開始，高頻化和軟開關技術的開發(fā)研究，使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。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點之一。
上世紀90年代中期，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊（IPEM）技術開始發(fā)展，它是當今國際電力電子界亟待解決的新問題之一。
關注點一：功率半導體器件性能
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1998年，Infineon公司推出冷mos管，它采用“超級結”（Super-Junction）結構，故又稱超結功率MOSFET。工作電壓600V～800V，通態(tài)電阻幾乎降低了一個數(shù)量級，仍保持開關速度快的特點，是一種有發(fā)展前途的高頻功率半導體器件。
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）型結構應用新技術制造的IGBT，可工作于150kHz（硬開關）和300kHz（軟開關）。
IGBT的技術進展實際上是通態(tài)壓降，快速開關和高耐壓能力三者的折中。隨著工藝和結構形式的不同，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、導熱性能好、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。
可以預見，碳化硅將是21世紀最可能成功應用的新型功率半導體器件材料。
關注點二：開關電源功率密度
提高開關電源的功率密度，使之小型化、輕量化，是人們不斷努力追求的目標。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備（如移動電話，數(shù)字相機等）尤為重要。使開關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。
二是應用壓電變壓器。應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備的體積和重量，必須設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。
關注點三：高頻磁與同步整流技術
電源系統(tǒng)中應用大量磁元件，高頻磁元件的材料、結構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注，納米結晶軟磁材料也已開發(fā)應用。
高頻化以后，為了提高開關電源的效率，必須開發(fā)和應用軟開關技術。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變換器，進一步提高其效率的措施是設法降低開關的通態(tài)損耗。例如同步整流SR技術，即以功率MOS管反接作為整流用開關二極管，代替蕭特基二極管（SBD），可降低管壓降，從而提高電路效率。
關注點四：分布電源結構
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，提高系統(tǒng)可*性；易于擴增負載容量；可降低48V母線上的電流和電壓降；容易做到熱分布均勻、便于散熱設計；瞬態(tài)響應好；可在線更換失效模塊等。
現(xiàn)在分布電源系統(tǒng)有兩種結構類型，一是兩級結構，另一種是三級結構。
關注點五：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備，電網(wǎng)側（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，技術已較成熟；三相APFC的拓撲類型和控制策略雖然已經(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、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撲，構成單級高功率因數(shù)AC/DC開關電源，只用一個主開關管，可使功率因數(shù)校正到0.8以上，并使輸出直流電壓可調，這種拓撲結構稱為單管單級即S4PFC變換器。
關注點六：電壓調節(jié)器模塊VRM
電壓調節(jié)器模塊是一類低電壓、大電流輸出DC-DC變換器模塊，向微處理器提供電源。
現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的速度和效率日益提高，為降低微處理器IC的電場強度和功耗，必須降低邏輯電壓，新一代微處理器的邏輯電壓已降低至1V，而電流則高達50A～100A，所以對VRM的要求是：輸出電壓很低、輸出電流大、電流變化率高、快速響應等。
關注點七：全數(shù)字化控制
電源的控制已經(jīng)由模擬控制，模數(shù)混合控制，進入到全數(shù)字控制階段。全數(shù)字控制是一個新的發(fā)展趨勢，已經(jīng)在許多功率變換設備中得到應用。
但是過去數(shù)字控制在DC/DC變換器中用得較少。近兩年來，電源的高性能全數(shù)字控制芯片已經(jīng)開發(fā)，費用也已降到比較合理的水平，歐美已有多家公司開發(fā)并制造出開關變換器的數(shù)字控制芯片及軟件。
全數(shù)字控制的優(yōu)點是：數(shù)字信號與混合模數(shù)信號相比可以標定更小的量，芯片價格也更低廉；對電流檢測誤差可以進行精確的數(shù)字校正，電壓檢測也更精確；可以實現(xiàn)快速，靈活的控制設計。
關注點八：電磁兼容性
高頻開關電源的電磁兼容EMC問題有其特殊性。功率半導體開關管在開關過程中產(chǎn)生的di/dt和dv/dt，引起強大的傳導電磁干擾和諧波干擾。有些情況還會引起強電磁場（通常是近場）輻射。不但嚴重污染周圍電磁環(huán)境，對附近的電氣設備造成電磁干擾，還可能危及附近操作人員的安全。同時，電力電子電路（如開關變換器）內(nèi)部的控制電路也必須能承受開關動作產(chǎn)生的EMI及應用現(xiàn)場電磁噪聲的干擾。上述特殊性，再加上EMI測量上的具體困難，在電力電子的電磁兼容領域里，存在著許多交*科學的前沿課題有待人們研究。國內(nèi)外許多大學均開展了電力電子電路的電磁干擾和電磁兼容性問題的研究，并取得了不少可喜成果。近幾年研究成果表明，開關變換器中的電磁噪音源，主要來自主開關器件的開關作用所產(chǎn)生的電壓、電流變化。變化速度越快，電磁噪音越大。
關注點九：設計和測試技術
建模、仿真和CAD是一種新的設計工具。為仿真電源系統(tǒng)，首先要建立仿真模型，包括電力電子器件、變換器電路、數(shù)字和模擬控制電路以及磁元件和磁場分布模型等，還要考慮開關管的熱模型、可*性模型和EMC模型。各種模型差別很大，建模的發(fā)展方向是：數(shù)字-模擬混合建模、混合層次建模以及將各種模型組成一個統(tǒng)一的多層次模型等。
電源系統(tǒng)的CAD，包括主電路和控制電路設計、器件選擇、參數(shù)最優(yōu)化、磁設計、熱設計、EMI設計和印制電路板設計、可*性預估、計算機輔助綜合和優(yōu)化設計等。用基于仿真的專家系統(tǒng)進行電源系統(tǒng)的CAD，可使所設計的系統(tǒng)性能最優(yōu)，減少設計制造費用，并能做可制造性分析，是21世紀仿真和CAD技術的發(fā)展方向之一。此外，電源系統(tǒng)的熱測試、EMI測試、可*性測試等技術的開發(fā)、研究與應用也是應大力發(fā)展的。
關注點十：系統(tǒng)集成技術
電源設備的制造特點是：非標準件多、勞動強度大、設計周期長、成本高、可*性低等，而用戶要求制造廠生產(chǎn)的電源產(chǎn)品更加實用、可*性更高、更輕小、成本更低。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(fā)，使電源產(chǎn)品的標準化、模塊化、可制造性、規(guī)模生產(chǎn)、降低成本等目標得以實現(xiàn)。
實際上，在電源集成技術的發(fā)展進程中，已經(jīng)經(jīng)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(fā)展階段。近年來的發(fā)展方向是將小功率電源系統(tǒng)集成在一個芯片上，可以使電源產(chǎn)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(shù)。在此基礎上，可以實現(xiàn)一體化，所有元器件連同控制保護集成在一個模塊中。
上世紀90年代，隨著大規(guī)模分布電源系統(tǒng)的發(fā)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(tǒng)集成，提高了集成度，出現(xiàn)了集成電力電子模塊（IPEM）。IPEM將功率器件與電路、控制以及檢測、執(zhí)行等元件集成封裝，得到標準的，可制造的模塊，既可用于標準設計，也可用于專用、特殊設計。優(yōu)點是可快速高效為用戶提供產(chǎn)品，顯著降低成本，提高可*性。
總之，電源系統(tǒng)集成是當今國際電力電子界亟待解決的新問題之一
——效率更高體積更小電磁污染更少可靠性更高
一、非隔離DC/DC技術迅速發(fā)展
近年來，非隔離DC/DC技術發(fā)展迅速。目前一套電子設備或電子系統(tǒng)由于負載不同，會要求電源系統(tǒng)提供多個電壓擋級。如臺式PC機就要求有+12V、+5V、+3.3V、-12V四種電壓以及待機的+5V電壓，主機板上則需要2.5V、1.8V、1.5V甚至1V等。一套AC/DC中不可能給出這樣多的電壓輸出，而大多數(shù)低壓供電電流都很大，因此開發(fā)了很多非隔離的DC/DC，它們基本上可以分成兩大類。一類在內(nèi)部含有功率開關元件，稱DC/DC轉換器。另一類不含功率開關，需要外接功率MOSFET，稱DC/DC控制器。按照電路功能劃分，有降壓的STEP-DOWN、升壓的BOOST，還有能升降壓的BUCK-BOOST或SEPIC等，以及正壓轉成負壓的INVERTOR等。其中品種最多，發(fā)展最快的還是降壓的STEP-DOWN。根據(jù)輸出電流的大小，分為單相、兩相及多相。控制方式上以PWM為主，少部分為PFM。
在非隔離的DC/DC轉換技術中，TI公司的預檢測柵驅動技術采用數(shù)字技術控制同步BUCK，采用這種技術的DC/DC轉換效率最高可以達到97%，其中TPS40071等是其代表產(chǎn)品。BOOST升壓方式也出現(xiàn)了采用MOSFET代替二極管的同步BOOST的產(chǎn)品。在低壓領域，增加效率的幅度很大，而且正在設法進一步消除MOSFET的體二極管的導通及反向恢復問題。
二、開關電源吹響數(shù)字化號角
目前在整個的電子模擬電路系統(tǒng)中，電視、音響設備、照片處理、通訊、網(wǎng)絡等都逐步實現(xiàn)了數(shù)字化，而最后一個沒有數(shù)字化的堡壘就是電源領域了。近年來，數(shù)字電源的研究勢頭不減，成果也越來越多。在電源數(shù)字化方面走在前面的公司有TI和Microchip。TI公司既有DSP方面的優(yōu)勢，又兼并了PWMIC專業(yè)制造商UNITRODE公司，該公司已經(jīng)用TMS320C28F10制成了通訊用的48V輸出大功率電源模塊，其中PFC和PWM部分完全為數(shù)字式控制?，F(xiàn)在，TI公司已經(jīng)研發(fā)出了多款數(shù)字式PWM控制芯片。目前主要是UCD7000系列、UCD8000系列和UCD9000系列，它們將成為下一代數(shù)字電源的探路者。它們總體上既包括硬件部分，還要做軟件編程。硬件部分包括PWM的邏輯部分、時鐘、放大器環(huán)路的模數(shù)轉換、數(shù)模轉換以及數(shù)字處理、驅動，同步整流的檢測和處理等。
目前在電源領域里的競爭主要還是性能價格的競爭，所以數(shù)字電源還有很長的路要走，然而電源領域的數(shù)字化的號角已經(jīng)吹響了。
三、初級PWM控制IC不斷優(yōu)化
有源箝位技術歷經(jīng)十余年經(jīng)久不衰，自從2002年VICOR公司此項專利技術到期解禁之后，各家公司開發(fā)的新型有源箝位控制IC如雨后春筍般涌現(xiàn)，給用戶提供了充分的選擇。
控制早期有源箝位控制技術的TI，不僅保持了原有的UCC3580系列，又新開發(fā)了性能更優(yōu)越的UCC2891-94，它采用電流型控制方式，綜合了高邊箝位、低邊箝位兩種控制方案，給出了全新的控制技巧。OnSemi先推出了低壓(100V)有源箝位的NCP1560控制芯片，隨后又推出了高壓應用的控制芯片NCP1280，它既解決了LCDTV等離子TV電源的要求，現(xiàn)在又直指下一代無風扇的PC機電源。美國NS公司的5000系列中專門有一款LM5025的有源箝位控制IC，連名不見經(jīng)傳的Semtech公司也給出了有源箝位的控制芯片，型號是SC4910，可見其背后蘊藏著巨大的市場商機。直到最近TI公司又推出的有源箝位控制ICUCC2897，已經(jīng)將有源箝位的PWM控制做到了完美無缺。而臺商飛兆公司則給出了最廉價的有源箝位控制IC，即SD7558和SD7559。
在大功率領域，全橋移相ZVS軟開關技術在解決開關電源的效率上功不可沒。從TI公司的UC3875到UCC3895，再從Linear公司的LTC1922到LTC3722增加了自適應檢測技術，使全橋移相技術達到了頂峰。然而，在同步整流技術普遍應用的今天，它卻無法實現(xiàn)最佳的ZVS同步整流。因為全橋移相電路在本質上是屬于非對稱的，它無法實現(xiàn)完全的ZVS同步整流，由于其開啟和關斷過程總有一半是硬開關，因而效率比不上對稱電路拓撲的ZVS方式的同步整流。最新的科技成果應該是INTERSIL公司推出的PWM對稱全橋的ZVS控制IC-ISL6752。它既能控制初級側的四個MOS開關為ZVS工作狀態(tài)，又能準確地給出控制二次側的同步整流為ZVS工作狀態(tài)的驅動信號。采用這顆IC制作的400W的DC/DC再加上先進的功率MOSFET，轉換效率可達到95%。
對于小功率的開關電源，則仍舊是反激變換器的PWM控制IC，但是它必須要能很好地解決二次側的同步整流的控制方式。OnSemi公司的NCP1207和NCP1377是高壓AC/DC領域的佼佼者。若能再配上TI公司的反激變換器的同步整流控制IC-UCC27226，則能使它們成為幾乎完美無瑕的高效率電源。低壓DC/DC領域中的反激變換器控制IC中，Linear公司的LTC3806則是上乘之作。LTC3806不僅能控制好PWM，還給出準確的二次側同步整流驅動信號，是低壓小功率電源控制IC的杰作。
綜上所述，開關電源設計時可以選擇最佳控制方式和最佳電路拓撲。大功率應該是全橋ZVS加上二次側ZVS同步整流，典型控制IC是ISL6752；中等功率到小功率應該是有源箝位正激變換ZVS軟開關配上二次側的預檢測柵驅動技術的同步整流；而小功率應該是配好同步整流的反激變換。當然，這里沒有絕對的界限，只是不同的條件下應該有相應的最佳選擇。
四、同步整流技術實現(xiàn)高效
從上世紀90年代末期同步整流技術誕生以來，開關電源技術得到了極大的發(fā)展，采用IC控制技術的同步整流方案已經(jīng)為研發(fā)工程師普遍接受，現(xiàn)在的同步整流技術都在努力實現(xiàn)ZVS、ZCS方式的同步整流。
從2002年美國銀河公司發(fā)表了ZVS同步整流技術之后，現(xiàn)在已經(jīng)得到了廣泛應用。這種方式的同步整流系巧妙地將二次側驅動同步整流的脈沖信號調為比一次側的PWM脈沖信號的上升沿超前，下降沿滯后的方法實現(xiàn)了同步整流MOS的ZVS方式工作。最新問世的雙輸出式PWM控制IC幾乎都在控制邏輯內(nèi)增加了對二次側實現(xiàn)ZVS同步整流的控制端子。例如：Linear公司的LTC3722、LTC3723，INTERSIL公司的ISL6752等。這些IC不僅努力解決好初級側功率MOSFET的軟開關，而且著力解決好二次側的ZVS方式的同步整流，轉換效率可達94%以上。
在非對稱的開關電源電路拓撲中，特別是對于性能良好的正激電路或正激有源箝位電路，在二次側的同步整流中，為了實現(xiàn)ZVS方式的同步整流，消除MOSFET體二極管的導通損耗和反向恢復時間帶來的損耗，TI公司的專利技術"預檢測柵驅動技術"在控制芯片中增加了大量的數(shù)字控制技術，正激電路同步整流的控制芯片UCC27228的誕生使正激電路的效率達到了前所未有的高效率。再配合好初級側的有源箝位技術之后，使這種最新的電路模式既做到了初級側的軟開關ZVS方式工作，又解決了磁芯復位及能量回饋，減輕了功率MOSFET的電壓應力，還做到了二次側的ZVS最佳狀態(tài)的同步整流，綜合使用這兩項技術的中小功率的DC/DC變換器，其效率都在94%以上，功率密度也都能達到200W/in以上。
五、專家觀點：能源緊缺急需節(jié)能政策出臺
目前中國制造的開關電源占了世界市場的80%，但是高端市場上幾乎沒有我們的份額。我國目前能源緊缺，而電源行業(yè)又是一個與能源消耗密切相關的行業(yè)，所以需要政府以及學會團體應該在幾個方面給電源的發(fā)展方向作出指導。
首先，彩電電源的空載功耗。在城市里很多家庭晚上看完電視后，采用遙控關斷的方法關機，使電力白白消耗。這時彩電的空載損耗多在3.5W以上，歐洲標準是小于1W，日本標準是小于0.6W。
第二，國內(nèi)各個家電廠商對于電源的效率要求不高，只要求價格。例如，DVD生產(chǎn)商在外配電源適配器時，寧可選擇轉換效率不足80%，空載損耗1.5W的49元一臺的適配器，卻不愿意選擇轉換效率90%以上，空載損耗<0.6W的59元一臺的適配器。
目前，我們國家的石油進口已經(jīng)超過50%，仍舊是缺油大國，如果私家車再多一些，我們到哪里去弄石油？是否該用法律及政策去鼓勵企業(yè)和工程師多開發(fā)和生產(chǎn)高效率的電源呢？
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