開關電源的發展(fāzhǎn)動態

主講人：馬瑞卿

2014年9月22日精品資料20世紀90年代以來，開關電源的發展日新月異。由于輸入要求的不斷提高和輸出領域的不斷擴展,研制和開發的難度變得更大了。正是由于外界的這些要求推動了兩個開關電源的分支技術一直成為當今電力電子的研究課題，它們是有源功率因數校正技術和低壓大電流高功DC/DC變換技術。另外由于技術性能和要求的提高，使得許多相關技術課題的研究，例如EMI技術、PCBLayout問題(wèntí)、熱理論的分析、集成磁技術、新型電容技術、新型功率器件技術、新型控制以及結構和工藝等正在迅速增加。開關電源的發展(fāzhǎn)動態精品資料開關電源的發展(fāzhǎn)動態1、開關電源電路器件2、電路集成和系統集成及封裝工藝(gōngyì)3、功率因數校正技術發展動態4、低壓大電流DC/DC變換技術的發展動態精品資料1、開關電源電路(diànlù)器件1．1、半導體器件功率場效應管（MOSFET）特點:(1)開關時間短;(2)容易達到1MHz的開關工作頻率;(3)但提高阻斷電壓必須加寬器件的漂移區,結果使得器件內阻迅速增大(zēnɡdà)，通態壓降增高，通態損耗增大(zēnɡdà);(4)只能應用于中小功率產品.精品資料1.1、半導體器件為了降低通態電阻，美國IR公司采用提高單位面積內的原胞個數的方法。如IR公司開發的一種HEXFET場效應管，其溝槽（Trench）原胞密度已達每平方英寸1.12億個的世界最高水平，通態電阻可達3m歐姆。自1996年以來，HEXFET通態電阻以每年50%的速度下降。IR公司還開發了一種低柵極電荷（QG）的HEXFET,使開關速度更快，同時兼顧(jiāngù)通態電阻和柵極電荷兩者同時降低。對于肖特基二極管的開發，最近利用TRENCH結構，有望出現壓降更小的肖特基二極管，它被稱作TMBS溝槽MOS勢壘肖特基二極管，有可能在極低電源電壓應用中與同步整流的MOSFET競爭精品資料1.1、半導體器件半導體材料的發展:硅“統治”半導體器件已有50余年20世紀80-90年代以來，砷化稼（GaAs）、半導體金剛石、碳化硅（SiC）的研究(yánjiū)始終在進行著;進入20世紀90年代以后，對SiC的研究(yánjiū)達到了熱點精品資料1.1、半導體器件SiC的半導體器件具有如下優點:導通電阻僅為Si器件的1/200。關斷時間小于10ns。實驗表明，電壓達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，而反向恢復時間幾乎為零。但是,SiC晶體的制造難度太大。當溫度大于2000℃時，SiC尚未熔化，但到了2400℃時SiC已升華變成氣體了。現在(xiànzài)是利用升華法直接從氣體狀態生長晶體。目前的問題是要進一步改善SiC表面與金屬的接觸特性和進一步完善SiC的制造工藝。精品資料1.2新型(xīnxíng)變壓器(1)平面變壓器:沒有銅導線，代之以單層或多層印刷電路板，因而厚度遠低于常規變壓器，能夠直接制作在印刷電路板上。具有如下(rúxià)優點:能量密度高；體積大大縮小，相當于常規變壓器的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:壓電變壓器是應用電能-機械能-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用場合，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品。美國的麥克韋爾公司一直保持著超容電容器技術的世界領先地位。超容電容器采用了獨特的金屬/碳電極技術和先進的非水電解質，具有極大的電極表面和極小的相對距離。現在(xiànzài)已開發、生產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組合成高壓組件或并聯組合成高能量存儲組件。超容電容器組件現巳可提供650V的高壓。精品資料2、電路集成(jíchénɡ)和系統集成(jíchénɡ)及封裝工藝開關電源的發展方向是模塊化、集成化和智能化。近幾年來具有各種控制功能(gōngnéng)的專用芯片發展很迅速，如功率因數校正（PFC）電路用的控制芯片，軟開關控制用的ZVS、ZCS芯片。移相全橋用的控制芯片，ZVT、ZCT、PWM專用控制芯片，并聯均流控制芯片以及電流反饋控制芯片等。功率半導體器件則有功率集成電路（PowerIC）和IPM。IPM以1GBT作為功率開關。精品資料2、電路(diànlù)集成和系統集成及封裝工藝電路集成的進一步發展方向是系統集成。美國VICOR公司生產的第一代電源模塊受生產技術、功率、磁元件體積以及封裝技術的限制，功率密度始終未能超過每立方英寸80瓦。第二代產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。功率密度已經達到了每立方英寸120瓦。但還不是系統集成。李澤元教授領導的美國電力電子系統中心已經提出了系統集成的設想(shèxiǎng)。信息傳輸、控制與功率半導體器件全部集在一起，組成的元件之間不用導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展趨勢是速度更快，電壓更低，而需要的電流容量一直在增加。現在的做法是把開關電源緊靠在微處理器上，開關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、速度加快的時候。現有的解決方法將無法達到它的要求。為此提出的構想是：開關電源緊密結合在微處理器主機板下面。這樣(zhèyàng)開關電源的大小必須與微處理器相當，而現在的開關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！精品資料3、功率因數校正(jiàozhèng)技術發展動態功率因數校正的概念起源于1980年，但被重視和推廣則在上個世紀80年代末期和90年代。歐洲和日本相繼對開關電源裝置的輸入諧波要求制定了標準。它們是IEC555-2和IEC1000-3-2。這使得研究(yánjiū)PFC技術已成為電源界的熱點。通常有兩大類PFC技術：一類是無源PFC技術，另一類是有源PFC技術。精品資料無源(wúyuán)PFC技術特點是:簡單，但體積龐大、笨重。有些場合則無法滿足要求。有源PFC特點是控制復雜，但體積大大減小。另外，設計也易優化，進一步提高性能。精品資料4、低壓大電流DC/DC變換技術

的發展(fāzhǎn)動態低壓大電流高功率DC/DC變換技術，已從前些年的3.3V降至現在的1.0V左右，電流目前已可達到幾十安至幾百安。同時，電源的輸出指標，如紋波、精度、效率、欠沖、過沖等技術指標也得到進一步提高。它的研究內容非常廣泛，包括電路拓撲結構動態問題（尤其是負載的大信號動態問題）、同步整流技術、控