開關(guān)電源的發(fā)展(fāzhǎn)動(dòng)態(tài)

主講人：馬瑞卿

2014年9月22日精品資料20世紀(jì)90年代以來，開關(guān)電源的發(fā)展日新月異。由于輸入要求的不斷提高和輸出領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展,研制和開發(fā)的難度變得更大了。正是由于外界的這些要求推動(dòng)了兩個(gè)開關(guān)電源的分支技術(shù)一直成為當(dāng)今電力電子的研究課題，它們是有源功率因數(shù)校正技術(shù)和低壓大電流高功DC/DC變換技術(shù)。另外由于技術(shù)性能和要求的提高，使得許多相關(guān)技術(shù)課題的研究，例如EMI技術(shù)、PCBLayout問題(wèntí)、熱理論的分析、集成磁技術(shù)、新型電容技術(shù)、新型功率器件技術(shù)、新型控制以及結(jié)構(gòu)和工藝等正在迅速增加。開關(guān)電源的發(fā)展(fāzhǎn)動(dòng)態(tài)精品資料開關(guān)電源的發(fā)展(fāzhǎn)動(dòng)態(tài)1、開關(guān)電源電路器件2、電路集成和系統(tǒng)集成及封裝工藝(gōngyì)3、功率因數(shù)校正技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)4、低壓大電流DC/DC變換技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)精品資料1、開關(guān)電源電路(diànlù)器件1．1、半導(dǎo)體器件功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）特點(diǎn):(1)開關(guān)時(shí)間短;(2)容易達(dá)到1MHz的開關(guān)工作頻率;(3)但提高阻斷電壓必須加寬器件的漂移區(qū),結(jié)果使得器件內(nèi)阻迅速增大(zēnɡdà)，通態(tài)壓降增高，通態(tài)損耗增大(zēnɡdà);(4)只能應(yīng)用于中小功率產(chǎn)品.精品資料1.1、半導(dǎo)體器件為了降低通態(tài)電阻，美國(guó)IR公司采用提高單位面積內(nèi)的原胞個(gè)數(shù)的方法。如IR公司開發(fā)的一種HEXFET場(chǎng)效應(yīng)管，其溝槽（Trench）原胞密度已達(dá)每平方英寸1.12億個(gè)的世界最高水平，通態(tài)電阻可達(dá)3m歐姆。自1996年以來，HEXFET通態(tài)電阻以每年50%的速度下降。IR公司還開發(fā)了一種低柵極電荷（QG）的HEXFET,使開關(guān)速度更快，同時(shí)兼顧(jiāngù)通態(tài)電阻和柵極電荷兩者同時(shí)降低。對(duì)于肖特基二極管的開發(fā)，最近利用TRENCH結(jié)構(gòu)，有望出現(xiàn)壓降更小的肖特基二極管，它被稱作TMBS溝槽MOS勢(shì)壘肖特基二極管，有可能在極低電源電壓應(yīng)用中與同步整流的MOSFET競(jìng)爭(zhēng)精品資料1.1、半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體材料的發(fā)展:硅“統(tǒng)治”半導(dǎo)體器件已有50余年20世紀(jì)80-90年代以來，砷化稼（GaAs）、半導(dǎo)體金剛石、碳化硅（SiC）的研究(yánjiū)始終在進(jìn)行著;進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，對(duì)SiC的研究(yánjiū)達(dá)到了熱點(diǎn)精品資料1.1、半導(dǎo)體器件SiC的半導(dǎo)體器件具有如下優(yōu)點(diǎn):導(dǎo)通電阻僅為Si器件的1/200。關(guān)斷時(shí)間小于10ns。實(shí)驗(yàn)表明，電壓達(dá)300V的SiC肖特基二極管（另一電極用金、鈀、鈦、鈷均可)的反向漏電流小于0.1mA/mm，而反向恢復(fù)時(shí)間幾乎為零。但是,SiC晶體的制造難度太大。當(dāng)溫度大于2000℃時(shí)，SiC尚未熔化，但到了2400℃時(shí)SiC已升華變成氣體了?，F(xiàn)在(xiànzài)是利用升華法直接從氣體狀態(tài)生長(zhǎng)晶體。目前的問題是要進(jìn)一步改善SiC表面與金屬的接觸特性和進(jìn)一步完善SiC的制造工藝。精品資料1.2新型(xīnxíng)變壓器(1)平面變壓器:沒有銅導(dǎo)線，代之以單層或多層印刷電路板，因而厚度遠(yuǎn)低于常規(guī)變壓器，能夠直接制作在印刷電路板上。具有如下(rúxià)優(yōu)點(diǎn):能量密度高；體積大大縮小，相當(dāng)于常規(guī)變壓器的20%；效率高，通常為97%-99%；工作頻率高，從50kHz到2MHz；漏感低(小于0.2%)；電磁干擾小(EMI)等。

精品資料1.2新型(xīnxíng)變壓器(2)壓電變壓器:壓電變壓器是應(yīng)用電能-機(jī)械能-電能的一種新型(xīnxíng)變壓器。目前，這種變壓器功率還不大，適用于電壓較高而電流較小的應(yīng)用場(chǎng)合，如照明燈具的啟輝裝裝置。壓電變壓器和繞線變壓器的比較見下一頁(yè)的表格

精品資料精品資料1．3、超容電容器超容電容器是近年來的最新產(chǎn)品。美國(guó)的麥克韋爾公司一直保持著超容電容器技術(shù)的世界領(lǐng)先地位。超容電容器采用了獨(dú)特的金屬/碳電極技術(shù)和先進(jìn)的非水電解質(zhì)，具有極大的電極表面和極小的相對(duì)距離?，F(xiàn)在(xiànzài)已開發(fā)、生產(chǎn)出多種具有廣泛適用范圍的超容電容器單元和組件，單元容量小到1OF，大到270OF。超容電容器可方便地串聯(lián)組合成高壓組件或并聯(lián)組合成高能量存儲(chǔ)組件。超容電容器組件現(xiàn)巳可提供650V的高壓。精品資料2、電路集成(jíchénɡ)和系統(tǒng)集成(jíchénɡ)及封裝工藝開關(guān)電源的發(fā)展方向是模塊化、集成化和智能化。近幾年來具有各種控制功能(gōngnéng)的專用芯片發(fā)展很迅速，如功率因數(shù)校正（PFC）電路用的控制芯片，軟開關(guān)控制用的ZVS、ZCS芯片。移相全橋用的控制芯片，ZVT、ZCT、PWM專用控制芯片，并聯(lián)均流控制芯片以及電流反饋控制芯片等。功率半導(dǎo)體器件則有功率集成電路（PowerIC）和IPM。IPM以1GBT作為功率開關(guān)。精品資料2、電路(diànlù)集成和系統(tǒng)集成及封裝工藝電路集成的進(jìn)一步發(fā)展方向是系統(tǒng)集成。美國(guó)VICOR公司生產(chǎn)的第一代電源模塊受生產(chǎn)技術(shù)、功率、磁元件體積以及封裝技術(shù)的限制，功率密度始終未能超過每立方英寸80瓦。第二代產(chǎn)品功率器件的管芯直接焊接在基板上以取代第一代TO-200封裝，可以提離散熱效果，降低寄生電感、電容和熱阻。功率密度已經(jīng)達(dá)到了每立方英寸120瓦。但還不是系統(tǒng)集成。李澤元教授領(lǐng)導(dǎo)的美國(guó)電力電子系統(tǒng)中心已經(jīng)提出了系統(tǒng)集成的設(shè)想(shèxiǎng)。信息傳輸、控制與功率半導(dǎo)體器件全部集在一起，組成的元件之間不用導(dǎo)線連接以增加可靠性。采用三維空間熱耗散的方法來改善散熱，有可能將功率從低功率（幾百瓦至上千瓦）做到高功率（幾十千瓦以上）。精品資料英特爾的微處理器的發(fā)展趨勢(shì)是速度更快，電壓更低，而需要的電流容量一直在增加?，F(xiàn)在的做法是把開關(guān)電源緊靠在微處理器上，開關(guān)電源以很快的速度提供電流給微處理器，這樣(zhèyàng)尚能滿足現(xiàn)有微處理器的要求.但將來微處理器工作電壓降低、電流增加、速度加快的時(shí)候?，F(xiàn)有的解決方法將無(wú)法達(dá)到它的要求。為此提出的構(gòu)想是：開關(guān)電源緊密結(jié)合在微處理器主機(jī)板下面。這樣(zhèyàng)開關(guān)電源的大小必須與微處理器相當(dāng)，而現(xiàn)在的開關(guān)電源要比微處理器大幾十倍。如何減小體積?這又面臨新的挑戰(zhàn)！精品資料3、功率因數(shù)校正(jiàozhèng)技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)功率因數(shù)校正的概念起源于1980年，但被重視和推廣則在上個(gè)世紀(jì)80年代末期和90年代。歐洲和日本相繼對(duì)開關(guān)電源裝置的輸入諧波要求制定了標(biāo)準(zhǔn)。它們是IEC555-2和IEC1000-3-2。這使得研究(yánjiū)PFC技術(shù)已成為電源界的熱點(diǎn)。通常有兩大類PFC技術(shù)：一類是無(wú)源PFC技術(shù)，另一類是有源PFC技術(shù)。精品資料無(wú)源(wúyuán)PFC技術(shù)特點(diǎn)是:簡(jiǎn)單，但體積龐大、笨重。有些場(chǎng)合則無(wú)法滿足要求。有源PFC特點(diǎn)是控制復(fù)雜，但體積大大減小。另外，設(shè)計(jì)也易優(yōu)化，進(jìn)一步提高性能。精品資料4、低壓大電流DC/DC變換技術(shù)

的發(fā)展(fāzhǎn)動(dòng)態(tài)低壓大電流高功率DC/DC變換技術(shù)，已從前些年的3.3V降至現(xiàn)在的1.0V左右，電流目前已可達(dá)到幾十安至幾百安。同時(shí)，電源的輸出指標(biāo)，如紋波、精度、效率、欠沖、過沖等技術(shù)指標(biāo)也得到進(jìn)一步提高。它的研究?jī)?nèi)容非常廣泛，包括電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)問題（尤其是負(fù)載的大信號(hào)動(dòng)態(tài)問題）、同步整流技術(shù)、控