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高频开关电源设计技术工程师需要关注的10个知识点解析

上世纪60年代,高频开关电源的面世,使其逐渐取代了线性稳压电源和SCR相控电源。40多年来,高频开关电源技能有了飞迅展开和改变,阅历了功率半导体器材、高频化和软开关技能、高频开关电源体系的集成技能三个展开阶段。
功率半导体器材从双极型器材(BPT、SCR、GTO)展开为MOS型器材(功率MOSFET、 IGBT、IGCT等),使电力电子体系有可能完成高频化,并大幅度下降导通损耗,电路也更为简单。
自上世纪80年代开端,高频化和软开关技能的开发研讨,使功率改换器功能更好、分量更轻、尺度更小。高频化和软开关技能是曩昔20年世界电力电子界研讨的热门之一。
上世纪90年代中期,集成电力电子体系和集成电力电子模块(IPEM)技能开端展开,它是当今世界电力电子界亟待解决的新问题之一。

重视点一:功率半导体器材功能
1998年,Infineon公司推出冷MOS管,它选用“超级结”(Super-Junction)结构,故又称超结功率MOSFET。作业电压600V~800V,通态电阻简直下降了一个数量级,仍坚持开关速度快的特色,是一种有展开前途的高频功率半导体器材。
IGBT刚呈现时,电压、电流额定值只要600V、25A。很长一段时间内,耐压水平限于1200V~1700V,通过长时间的探究研讨和改善,现在IGBT的电压、电流额定值已别离到达3300V/1200A和4500V/1800A,高压IGBT单片耐压已到达6500V,一般IGBT的作业频率上限为20kHz~40kHz,根据穿通(PT)型结构使用新技能制作的IGBT,可作业于150kHz(硬开关)和300kHz(软开关)。
IGBT的技能进展实际上是通态压降,快速开关和高耐压才能三者的折中。跟着工艺和结构方式的不同,IGBT在20年前史展开进程中,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是功率半导体器材晶片的理想资料,其长处是:禁带宽、作业温度高(可达600℃)、热稳定性好、通态电阻小、导热功能好、漏电流极小、PN结耐压高级,有利于制作出耐高温的高频大功率半导体器材。
能够预见,碳化硅将是21世纪最可能成功使用的新式功率半导体器材资料。

重视点二:高频开关电源功率密度
进步高频开关电源的功率密度,使之小型化、轻量化,是人们不断尽力寻求的方针。高频开关电源的高频化是世界电力电子界研讨的热门之一。高频开关电源的小型化、减轻分量对便携式电子设备(如移动电话,数字相机等)尤为重要。使高频开关电源小型化的详细办法有:
一是高频化。为了完成高频开关电源高功率密度,有必要进步PWM改换器的作业频率、然后减小电路中储能元件的体积分量。
二是使用压电变压器。使用压电变压器可使高频功率改换器完成轻、小、薄和高功率密度。
压电变压器使用压电陶瓷资料特有的“电压-振动”改换和“振动-电压”改换的性质传送能量,其等效电路好像一个串并联谐振电路,是功率改换范畴的研讨热门之一。
三是选用新式电容器。为了减小电力电子设备的体积和分量,有必要设法改善电容器的功能,进步能量密度,并研讨开发适合于电力电子及高频开关电源体系用的新式电容器,要求电容量大、等效串联电阻ESR小、体积小等。

重视点三:高频磁与同步整流技能
高频开关电源体系中使用很多磁元件,高频磁元件的资料、结构和功能都不同于工频磁元件,有许多问题需求研讨。对高频磁元件所用磁性资料有如下要求:损耗小,散热功能好,磁功能优越。适用于兆赫级频率的磁性资料为人们所重视,纳米结晶软磁资料也已开发使用。
高频化今后,为了进步高频开关电源的功率,有必要开发和使用软开关技能。它是曩昔几十年世界高频开关电源界的一个研讨热门。
关于低电压、大电流输出的软开关改换器,进一步进步其功率的办法是设法下降开关的通态损耗。例好像步整流SR技能,即以功率MOS管反接作为整流用开关二极管,替代萧特基二极管(SBD),可下降管压降,然后进步电路功率。

重视点四:散布高频开关电源结构
散布高频开关电源体系适合于用作超高速集成电路组成的大型作业站(如图画处理站)、大型数字电子交换体系等的高频开关电源,其长处是:可完成DC/DC改换器组件模块化;简单完成N+1功率冗余,进步体系可*性;易于扩增负载容量;可下降48V母线上的电流和电压降;简单做到热散布均匀、便于散热规划;瞬态呼应好;可在线替换失效模块等。
现在散布高频开关电源体系有两种结构类型,一是两级结构,另一种是三级结构。

重视点五:PFC改换器
因为AC/DC改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,单相整流高频开关电源供电的电子设备,电网侧(沟通输入端)功率因数仅为0.6~0.65。选用PFC(功率因数校对)改换器,网侧功率因数可进步到0.95~0.99,输入电流THD小于10%。既治理了电网的谐波污染,又进步了高频开关电源的全体功率。这一技能称为有源功率因数校对APFC单相APFC国内外开发较早,技能已较老练;三相APFC的拓扑类型和操控战略尽管现已有很多种,但还有待持续研讨展开。
一般高功率因数AC/DC高频开关电源,由两级拓扑组成,关于小功率AC/DC高频开关电源来说,选用两级拓扑结构整体功率低、本钱高。
如果对输入端功率因数要求不特别高时,将PFC改换器和后级DC/DC改换器组合成一个拓扑,构成单级高功率因数AC/DC高频开关电源,只用一个主开关管,可使功率因数校对到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改换器。

重视点六: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改换器模块,向微处理器供给高频开关电源。
现在数据处理体系的速度和功率日益进步,为下降微处理器IC的电场强度和功耗,有必要下降逻辑电压,新一代微处理器的逻辑电压已下降至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、电流改变率高、快速呼应等。

重视点七:全数字化操控
高频开关电源的操控现已由模仿操控,模数混合操控,进入到全数字操控阶段。全数字操控是一个新的展开趋势,现已在许多功率改换设备中得到使用。
可是曩昔数字操控在DC/DC改换器中用得较少。近两年来,高频开关电源的高功能全数字操控芯片现已开发,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作出开关改换器的数字操控芯片及软件。
全数字操控的长处是:数字信号与混合模数信号比较能够标定更小的量,芯片价格也更低价;对电流检测差错能够进行准确的数字校对,电压检测也更准确;能够完成快速,灵敏的操控规划。

重视点八:电磁兼容性
高频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发生的di/dt和dv/dt,引起强壮的传导电磁搅扰和谐波搅扰。有些状况还会引起强电磁场(通常是近场)辐射。不光严峻污染周围电磁环境,对邻近的电气设备造成电磁搅扰,还可能危及邻近操作人员的安全。同时,电力电子电路(如开关改换器)内部的操控电路也有必要能接受开关动作发生的EMI及使用现场电磁噪声的搅扰。上述特殊性,再加上EMI丈量上的详细困难,在电力电子的电磁兼容范畴里,存在着许多交*科学的前沿课题有待人们研讨。国内外许多大学均展开了电力电子电路的电磁搅扰和电磁兼容性问题的研讨,并取得了不少可喜成果。近几年研讨成果标明,开关改换器中的电磁噪音源,首要来自主开关器材的开关效果所发生的电压、电流改变。改变速度越快,电磁噪音越大。

重视点九:规划和测验技能
建模、仿真和CAD是一种新的规划东西。为仿真高频开关电源体系,首先要树立仿真模型,包含电力电子器材、改换器电路、数字和模仿操控电路以及磁元件和磁场散布模型等,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,建模的展开方向是:数字-模仿混合建模、混合层次建模以及将各种模型组成一个一致的多层次模型等。
高频开关电源体系的CAD,包含主电路和操控电路规划、器材挑选、参数最优化、磁规划、热规划、EMI规划和印制电路板规划、可*性预估、计算机辅助归纳和优化规划等。用根据仿真的专家体系进行高频开关电源体系的CAD,可使所规划的体系功能最优,减少规划制作费用,并能做可制作性剖析,是21世纪仿真和CAD技能的展开方向之一。此外,高频开关电源体系的热测验、EMI测验、可*性测验等技能的开发、研讨与使用也是应大力展开的。

重视点十:体系集成技能
高频开关电源设备的制作特色是:非规范件多、劳动强度大、规划周期长、本钱高、可*性低一级,而用户要求制作厂出产的高频开关电源产品愈加有用、可*性更高、更轻小、本钱更低。这些状况使高频开关电源制作厂家接受巨大压力,迫切需求展开集成高频开关电源模块的研讨开发,使高频开关电源产品的规范化、模块化、可制作性、规划出产、下降本钱等方针得以完成。
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实际上,在高频开关电源集成技能的展开进程中,现已阅历了电力半导体器材模块化,功率与操控电路的集成化,集成无源元件(包含磁集成技能)等展开阶段。近年来的展开方向是将小功率高频开关电源体系集成在一个芯片上,能够使高频开关电源产品更为紧凑,体积更小,也减小了引线长度,然后减小了寄生参数。在此基础上,能够完成一体化,一切元器材连同操控维护集成在一个模块中。
上世纪90年代,跟着大规划散布高频开关电源体系的展开,一体化的规划观念被推行到更大容量、更高电压的高频开关电源体系集成,进步了集成度,呈现了集成电力电子模块(IPEM)。IPEM将功率器材与电路、操控以及检测、执行等元件集成封装,得到规范的,可制作的模块,既可用于规范规划,也可用于专用、特殊规划。长处是可快速高效为用户供给产品,明显下降本钱,进步可*性。
总归,高频开关电源体系集成是当今世界电力电子界亟待解决的新问题之一。

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