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开关电源技术的发展方向


www.fskali.com 2009-5-27 17:29:35 点击数 : 4660

进入21世纪,开关电源技术将有更大的发展,主要表现在以下几个方面。

1.       高性能碳化硅(SiC)功率器件

可以预见,碳化硅将是21世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料,其优点是:禁带宽,工作温度高(可达600°C),通态小,导热性能好,漏电流极小PN结耐压高等

2.       高频磁技术

高频开关变换器中用了多种磁元件,有许多基本问题要研究。

1)随着开关电源的高频化,在低频下可以忽略的某些寄生参数,在高频下将对某些电路性能(如开关尖峰能量、噪声水平等)产生重要影响。尤其是磁元件的涡流、漏、绕组交流电阻Rac和分布等,在低频和高频下的表现有很大不同。高频磁技术理论作为学科前沿问题,仍受到人们的广泛重视,如:磁心损耗的数学建模,磁滞回线的仿真建模,高频磁元件的计算机仿真建模和CAD、高频一维和二维仿真模型等。有待研究的问题还有:高频磁元件的设计决定了高效率开关电源的性能、损耗分布和波形等,人们希望给出设计准则、方法、磁参数和结构参数与电路性能的依赖关系,明确设计的自由度与约束条件等。

2)对高频磁性材料有如下要求:损耗小,散热性能好,磁性能优越。适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注,如5~6µm超薄钴基非晶态磁带,1MHzBm=0.1T)时,损耗仅为0.7~1W/cm3,是MnZn高频铁氧体的1/3~1/4。纳米结晶软磁薄膜也在研究。

3)研究将铁氧体或其他薄膜材料高密度集成在硅片上。或硅材料集成在铁氧体上,是一种磁电混合集成技术。磁电混合集成还包括利用电感箔式绕组层间分布电容实现磁元件与电容混合集成等。

3. 新型

研究开发适合于功率电源系统用的新型电容器和超级大电容。要求电容量大、等效电阻(ESR)小、体积小等。据报道,美国在20世纪90年代末,已开发出330µF新型固体电容,其ESR有显著下降。

4. 功率因数校正AC-DC开关变换技术

一般高功率因数AC-DC电源由两级组成:在DC-DC变换器前加一级前置功率因数校正器,至少需要两个主开关管和两套控制驱动电路。这样对于小功率开关电源说,总体效率低、成本高。

对输入端功率因数要求不特别高的情况,用PFC和变换器组合电路构成小功率AC-DC开关电源,只用一个主开关管,可使PF校正到0.8以上,称为单管单级PF校正AC-DC变换器,简称为S4。例如一种隔离式S4PF校正AC/DC变换器,前置功率因数校正器用DCM运行的Boost变换器,后置电压调节器主电路为反激变换器,按CCMDCM运行;两级电路合用一个主开关管。

5. 高频开关电源的电磁兼容研究

高频开关电源的电磁兼容问题有特殊性。通常,它涉及到开关过程产生的di/dtdv/dt,引起强大的传导型电磁干扰和谐波干扰。有些情况还会引起强电磁场辐射。不但严重污染周围电磁环境,对附近的电气设备造成电磁干扰,还可能危及附近操作人员的安全。同时,开关电源内部的控制电路也必须能承受主电路及工业应用现场电磁噪声的干扰。由于上述特殊性和测量上的具体困难,专门针对开关电源电磁兼容的研究工作,目前还处于起始阶段。显然,在电磁兼容领域,存在着许多交叉科学的前沿课题有待人们研究。如:典型电路与系统的近场、传导干扰和辐射干扰建模;印制电路板和开关电源EMC优化设计软件;低中频、超音频及高频强磁场对人体健康的影响;大功率开关电源EMC测量方法的研究等。

6. 开关电源的设计、测试技术

建模、仿真和CAD是一种新的、方便且节省的设计工具。为仿真开关电源,首先要进行仿真建模。仿真模型中应包括电力器件、变换器电路、数字和模拟控制电路,以及磁元件和磁场分布模型,电路分布参数模型等,还要考虑开关管的热模型、可靠性模型和EMC建模。各种模型差别很大,因此建模的发展方向应当是:数字-模拟混合建模;混合层次建模;以及将各种模型组成一个统一的多层次模型(类似一个电路模型,有方块图等);自动生成模型,使仿真软件具有自动建模功能,以节约用户时间。在此基础上,可建立模型库。

开关电源的CAD,包括主电路和控制电路设计、器件选择、参数优化、磁设计、热设计、EMI设计和印刷电路板设计、可靠性预估、计算机辅助综合和优化设计等。用基于仿真的专家系统进行开关电源的CAD,可使所设计的系统性能最优,减少设计制造费用,并能做可制造性分析,是21世纪仿真和CAD技术的发展方向之一。现在国外已开发出设计DC-DC开关变换器的专家系统和仿真用MATSPE软件。

此外,开关电源的热测试、EMI测试、可靠性测试等技术的开发、研究与应用也是应大力发展的。

7. 低电压、大电流的开关电源开发

(1)低电压、大电流的开关变换器的要求

数据处理系统的速度和效率日益提高,新一代的逻辑电压低达1.1~1.8V,而电流达50~100A,其供电电源——低电压、大电流输出DC-DC变换器模块,又称为电压调整器模块(VRM)。新一代微对VRM的要求是:输出电压很低,输出电流大,电流变化率高,响应快等。

为降低IC的电场强度和功耗,必须降低微处理器供电电压,因此VRM的输出电压要从传统的3V左右降低到小于2V,甚至1V

运行时,电源输入电流>100A,由于寄生LC参数,电压扰动大,应尽量减小L

微处理器起停频繁,不断从休眠状态启动,工作,再进入休眠状态。因此要求VRM电流从0突变到50A,又突降到0,电流变化率达5A/ns

设计时应控制扰动电压10%,允许输出电压变化±2%

(2)采用波形交错技术

线路的寄生阻抗、电容的ESRESLVRM在负载变化过程中的电压调整影响很大。必须研制高频、高功率密度和快速的新型VRM。现在已有多种拓扑问世,如:同步整流Buck变换器(用功率MOS管替代);为防止电流大幅度变化时由于高频寄生参数引起输出电压扰动,有文献介绍采用多输入通道或称多相DC-DC变换器,如图1所示,应用波形交错(Interleaving)技术,保证VRM输出纹波小,改善输出瞬态响应,并可减小输出滤波电感和电容。

1  多输入通道波形交错同步整流Buck变换器

(3)电压纹波与冲击电压问题

电压纹波与ESR。对于电压在1V以下、电流在100A以上的负载,其负载电阻在10mΩ以下,低于滤波电容的内部等效串联电阻,会出现电压纹波问题。现在,假设可以通过升降压或升压型变换器实现这种电源,但流过电容的纹波电流在100A以上,效率小于50%。对此,降压型变换器中含有串联滤波电感,可抑制纹波电流。但是,负载电阻与ESR相当,纹波电流分别流过电容和负载,其动作模式和目前的滤波电路不同。

为探讨纹波电压动作模式,首先给出等效电路进行仿真。仿真中根据Crc的值,有四种动作模式的纹波电压。电压纹波值与rc/R的变化关系曲线,也有四种动作模式,C越大,纹波率就越小。为进一步降低低压大电流输出电压纹波,即减小滤波电容ESR值,必须采取一定的方法和策略。

负载突变引起的冲击电压。对于数字电路的负载,为快速响应各种模式的转换,输出电压相应于负载变化的瞬态响应特性就显得非常重要。此时,如果电流的变化率大,冲击产生时间比开关周期Ts短,则很难期待由反馈而带来的输出电压稳定效果。目前技术还没有办法,正处于仿真研究阶段。

(4)探寻省略滤波电容的可能性

如果因负载急变引起输出电压波动,波动持续时间超过开关周期的话,通过反馈可在一定程度上进行调整,LC滤波电路对此电压调整效果起决定作用。为达到电压调整目的,必须提高开关频率,减小LC值,让截止频率尽量向高域端延伸。有人考虑用两个非对称逆变器(带器)输出双相方波,每个逆变器的输出电压通过半波整流接向共同的负载,将截止频率延伸至高域端

开关频率由的开关时间所决定,为了提高开关效率,使超过其极限值,在实用中可采用多相开关方式等效提高开关频率的方法。但是,相数也有限制。另外,变化的原因仅在于负载一侧,让截止频率尽量低也非常有效。为达到此目的,使用电气双层电容滤波器可能是今后的发展方向。当然,为此必须考虑怎样同时降低双层电容器的等效串联电阻和等效串联电感。

(5)便携式设备与燃料

对于手提电脑、手机、数码相机等便携式电器,电源是出问题最多的部分。便携式设备的电源一直以来是传统电池的天下,传统电池在轻便与长时使用性方面,还不能充分满足用户的要求。为此,由固体高分子材料构成的燃料电池最近引起了大家的关注。燃料电池是以甲醇为燃料,铂为催化剂,其构造为电极间夹电解质膜,能量密度可做到锂电池的10倍。100°C以下的工作温度包括在常温下可以发电,单节电压大概为1~2V。本来用氢作燃料最理想,但从实用出发,用甲醇和铂催化剂的组合较方便。不过其对于负载变化的跟随性有问题,因此为保护电极,需要与电容组合使用。

燃料电池的优点是维护方便,可长时间使用。电能不足时,仅补充燃料即可,不需要长时间充电。

以上就低压、大电流开关电源为中心,对开关电源的未来技术发展方向进行了论述。按照摩尔定律,每18个月IC的集成度会增加2倍,因此很难断定电压会降低到何种程度为止。如果这种趋势无限制的持续下去,可以预想对电源的要求会越来越高。要满足这些要求,首先以开发新的半导体和电容为前提,另外从电路角度来建立元器件微细结构模型也可能成为解决问题的关键点。因此,今后在各种层面上打破学科界线进行协同研究的必要性会越来越高。

8. 低电压、大电流DC-DC变换器模块

IEEE Spectrum报道,2005年数据处理器所用的大规模的晶体管密度将达到1亿/cm²,时钟频率为1GHz,特征尺寸≤100nm,参见表1

1 超大规模集成电路十年发展前景预测

 

1997~2001

2003~2006

2009~2012

晶体管密度/106/cm2

4~10

18~39

84~180

特征尺寸/nm

250~150

130~100

70~50

频率/MHz

200~230

530~1100

840~1830

功率/W

1.2~61

2~96

2.8~109

电压/V

1.2~2.5

0.9~1.2

0.5~0.9

为适应下一代快速微处理器、可携式通信设备、服务器等供电的需求,要开发大电流(50~100A)、低输出电压(小于1V)、电流变化率高(5A/ns)的VRM。研究新拓扑,应用高性能元器件,研究新结构和封装技术,使体积相当的微处理器和与VRM集成封装。图2所示为微处理器与VRM集成的一种设想。

2  微处理器与VRM集成

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