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新型开关电源的发展趋势
【作者/来自】俞峰 【发表时间】2013-05-03 【点击次数】1113
1 小型、薄型、轻量化
    使开关电源小型化的具体办法有:一是高频化。为了实现电源高功率密度,必须提高PWM 变换器的工作频率、从而减小电路中储能元件的体积重量。二是应用压电变压器。应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和高功率密度。压电变压器利用压电陶瓷材料特有的“电压- 振动”变换和“振动- 电压”变换的性质传送能量,其等效电路如同一个串并联谐振电路,是功率变换领域的研究热点之一。三是采用新型电容器。为了减小电子设备体积和重量,提高能量密度,研究开发适合于电力电子及电源系统用的新型电容器。四是同时采用SMT 技术在电路板两面布置元件以确保开关电源的轻、小、薄。
2 高可靠性
    开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍,对于电力电子装置,元器件数量越多,发生故障的机率越大,装置的可靠性越低。从寿命角度出发,电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。追求寿命的延长要从设计方面做工作。美国一公司通过降低结温、减少器件的电应力、降低运行电流等措施使其DC/DC 开关电源系列产品的可靠性大大提高,产品的MTBF 高达100 万h 以上。
3 高效率
    为了使开关电源轻、小、薄,高频化(开关频率达兆赫级)是必然发展趋势。而高频化又必然使传统的PWM 开关功耗加大、效率降低、噪声提高,且达不到高频、高效的预期效益,因此实现零电压导通、零电流关断的软开关技术将成为开关电源产品的发展方向。采用软开关技术可使效率达到85%~88%。据悉,美国VICOR 开关电源公司设计制造了多种ECZ 软开关DC/DC 变换器,其最大输出功率有800W、600W、300W等,相应的功率密度为101.60 W/cm3、160.38 W/cm3 和278.58 W/cm3,效率为80%~90%;日本Nemic-Lambda 公司推出一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM 系列,开关频率为200~300 kHz,功率密度为442.45W/cm3,用同步整流器(即用MOS-FER 代替肖特基二极管)使整个电路效率提高到90%。
4 模块化
    在电源集成技术的发展进程中,已经经历了电力半导体器件模块化,功率与控制电路的集成化,集成无源元件(包括磁集成技术)等发展阶段。近年来的发展方向是将小功率电源系统集成在一个芯片上,可以使电源产品更为紧凑,体积更小,也减小了引线长度,从而减小了寄生参数。在此基础上,可以实现一体化,所有元器件连同控制保护集成在一个模块中。上世纪90 年代,随着大规模分布电源系统的发展,一体化的设计观念被推广到更大容量、更高电压的电源系统集成,产品设计中提高了集成度,出现了集成电力电子模块(IPEM)。IPEM 将功率器件与电路、控制以及检测、执行等元件集成封装的模块,既可用于标准设计,也可用于专用、特殊设计。目前,可快速高效为用户提供产品,显著降低成本,提高可靠性。
    无论是AC/DC 或是DC/DC 变换器都是朝着模块化方向发展,其特点是:可用模块电源组成分布或电源系统;可以设计成N+1 冗余电源系统,从而提高可靠性;可以做成插入式结构,实现热更换,从而在运行中出现故障时能快速更换模块插件;多台模块并用可实现大功率电源系统。此外,还可在电源系统建成后,根据需要扩充容量。
5 低噪声抗电磁干扰(EMI)
    开关电源的另一缺点是噪声大,追求高频化,带来的负面影响是噪声也随之增大。采用部分谐振转换回路技术,在原理上既可以高频化,又可以降低噪声。但谐振转换技术也有其不足之处,如很难准确地控制开关频率,谐振时增大了器件负荷,场效应管的寄生电容易引起短路损耗,元件热应力转向开关管等问题难以解决。日本把变压器设计成初次级分离阻燃密封,自身具备对付噪声功能的共模无噪声隔离变压器,既节省了噪声滤波器,又减少了噪声。当开关电源在高频下开关时,其噪声通过电源线产生对其他电子设备的干扰,世界各国已有抗EMI 的规范或标准,如美国的FCC、德国的VDE 等。研究开发抗EMI 的开关电源日益显得重要。
6 计算机辅助设计(CAD)
    利用计算机辅助设计(CAD)技术对开关电源系统、稳定性分析、电路仿真、印刷电路板、热传导分析、EMI 分析以及可靠性等进行设计和模拟试验,是有效快速经济的设计方法。为仿真电源系统,首先要建立仿真模型,包括电力电子器件、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等,还要考虑开关管的热模型、可靠性模型和EMC 模型。各种模型差别很大,建模的发展方向是: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等。
    电源系统的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 设计和印制电路板设计、可靠性预估等。用基于仿真的专家系统进行电源系统的CAD,可使所设计的系统性能优化,减少制造费用。此外,电源系统的热测试、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。
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