高頻化數(shù)字化成未來開關電源發(fā)展方向
開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術,控制開關晶體管開通和關斷的時間比率,維持穩(wěn)定輸出電壓及電流的一種電源。根據(jù)國際知名調(diào)查機構(gòu)DATABEANS統(tǒng)計數(shù)據(jù),從2004年至2010年每年全球開關電源市場銷售額平均保持了15%左右的幅度增長,到2010年約為120億美元的銷售額。
我國開關電源行業(yè)起步于1970年代末期,目前已成為開關電源最主要的生產(chǎn)國和消費國。根據(jù)《UPS應用》雜志的相關統(tǒng)計數(shù)據(jù),2003年以來,中國電源市場始終總體保持穩(wěn)定發(fā)展態(tài)勢。2008年中國電源產(chǎn)品產(chǎn)量3163萬臺,同比增長5.7%,銷售額為165.67億元,同比增長6.2%。隨著科學技術的不斷進步,目前開關電源也進入到一個全新的發(fā)展階段。高頻化數(shù)字化軟開關等技術也將會成為未來開關電源的發(fā)展趨勢。
1、高頻化技術
隨著開關頻率的提高,開關變換器的體積也隨之減少,功率密度也得到大幅提升,動態(tài)響應得到改善。小功率DC/DC變換器的開關頻率將上升到MHz。但隨著開關頻率的不斷提高,開關元件和無源元件損耗的增加、高頻寄生參數(shù)以及高頻EMI等新的問題也將隨之產(chǎn)生。
2、數(shù)字化技術
在傳統(tǒng)功率電子技術中,控制部分是按模擬信號來設計和工作。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。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主要有TI和Microchip。
3、軟開關技術
為提高變換器的變換效率,各種軟開關技術應用而生,具有代表性的是無源軟開關技術和有源軟開關技術,主要包括零電壓開關/零電流開關(ZVS/ZCS)諧振、準諧振、零電壓/零電流脈寬調(diào)制技術(ZVS/ZCS-PWM)以及零電壓過渡/零電流過渡脈寬調(diào)制(ZVT/ZCT-PWM)技術等。采用軟開關技術可以有效地降低開關損耗和開關應力,有助于變換器變換效率的提高。
4、功率因數(shù)校正技術(PFC)
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(cè)(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(cè)功率因數(shù)可提高到0.95~0.99,輸入電流THD小于20%。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。目前PFC技術主要分為有源PFC技術和無源PFC技術兩大類,采用PFC技術可以提高AC/DC變化器輸入端功率因數(shù),減少對電網(wǎng)的諧波污染,但還有待繼續(xù)研究發(fā)展。
5、模塊化技術
模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。近年來,有些公司把開關電源的驅(qū)動保護電路也裝到功率模塊中去,構(gòu)成了“智能化”功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現(xiàn)為過電壓、過電流、毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊(ASPM),它把一臺整機的所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,這樣的模塊經(jīng)過嚴格合理的熱、電、機械方面的設計,達到優(yōu)化完美的境地。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統(tǒng)連線,把寄生參數(shù)降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統(tǒng)的可靠性。
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