开关电源发展动态3

1、开关电源的发展动态开关电源的发展动态主讲人：马瑞卿2014年9月22日 20世纪90年代以来，开关电源的发展日新月异。由于输入要求的不断提高和输出领域的不断扩展,研制和开发的难度变得更大了。正是由于外界的这些要求推动了两个开关电源的分支技 术一直成为当今电力电子的研究课题，它们是有源功率因数校正技术和低压大电流高功DC/DC变 换技术。 另外由于技术性能和要求的提高，使得许多相关技术课题的研究，例如 EMI技术、PCB Layout问题、热理论的分析、集成磁技术、新型电容技术、新型功率器件技术、新型控制以及结构和工艺等正在迅速增加。 开关电源的发展动态开关电源的发展动态 1、开关电源电路器件

2、2、电路集成和系统集成及封装工艺 3、功率因数校正技术发展动态 4、低压大电流DC/DC变换技术的发展动态1、开关电源电路器件 11、半导体器件 功率场效应管（MOSFET） 特点:(1)开关时间短;(2)容易达到1MHz的开关工作频率 ;(3)但提高阻断电压必须加宽器件的漂移区 ,结果 使得器件内阻迅速增大，通态压降增高，通态损耗增大 ;(4)只能应用于中小功率产品.1.1 、半导体器件 为了降低通态电阻，美国IR公司采用提高单位面积内 的原胞个数的方法。如IR公司开发的一种HEXFET场效应管，其沟槽（Trench）原胞密度已达每平方英寸1.12亿个的世界最高水平，通态电阻可达3m欧姆。自

3、1996年以来，HEXFET通态电阻以每年50%的速度下降。IR公司还开发了一种低栅极电荷（QG）的HEXFET,使开关速度更快，同时兼顾通态电阻和栅极电荷两者同时降低。对于肖特基二极管的开发，最近利用TRENCH结构，有望出现压降更小的肖特基二极管，它被称作TMBS沟槽MOS势垒肖特基二极管，有可能在极低电源电压应用中与同步整流的MOSFET竞争 1.1 、半导体器件 半导体材料的发展: 硅“统治”半导体器件已有50余年 20世纪80-90年代以来，砷化稼（GaAs）、 半导体金刚石、碳化硅（SiC）的研究始终在进行着; 进入20世纪90年代以后，对SiC的研究达到了热点 1.1 、半导体器

4、件 SiC的半导体器件具有如下优点: 导通电阻仅为Si器件的1/200。关断时间小于10 ns。实验表明，电压达300V的SiC肖特基二极管（另一电极用金、 钯、钛、钴均可)的反向漏电流小于0.1mA/mm，而反向恢复时间几乎为零。 但是,SiC晶体的制造难度太大。 当温度大于2000时，SiC尚未熔化，但到了2400时SiC已升华变成气体了。现在是利用升华法直接从气体状态生长晶体。目前的问题是要进一步改善SiC表面与金属的接触特性和进一步完善SiC的制造工艺。1.2新型变压器 (1)平面变压器: 没有铜导线，代之以单层或多层印刷电路 板，因而厚度远低于 常规变压器，能够直接制作在印刷电路板上

5、 。具有如下优点: 能量 密 度高；体积大大缩小，相当于常规变压器的20%； 效率高，通常为97%-99%； 工作频率高，从50kHz到2MHz； 漏感低(小于0.2%)；电磁干扰小(EMI)等。 1.2新型变压器 (2)压电变压器: 压电变压器 是应用电能-机械能-电能的一种新型变压器 。目前，这种变压器 功率还不大，适用于电压较高而电流较小的应用场合，如照明灯具的启辉装装置。 压电变压器和绕线变压器的比较见下一页的表格 13、超容电容器 超容电容器是近年来的最新产品。美国的麦克韦尔公司一直保持着超容电容器技术的世界领先地位。超容电容器采用了独特的金属/碳电极技术和先进的非水电解质，具有极大

6、的电极表面和极小的相对距离。现在已开发、生产出多种具有广泛适用范围的超容电容器单元和组件，单元容量小到1OF，大到270OF。超容电容器可方便地串联组合成高压组件或并联组合成高能量存储组件。超容电容器组件现巳可提供650V的高压。2、电路集成和系统集成及封装工艺 开关电源的发展方向是模块化、集成化和智能化。近几年来具有各种控制功能的专用芯片发展很迅速，如功率因数校正（PFC）电路用的控制芯片，软开关控制用的ZVS、ZCS芯片。移相全桥用的控制芯片，ZVT、ZCT、PWM专用控制芯片，并联均流控制芯片以及电流反馈控制芯片等。功率半导体器件则有功率集成电路（Power IC）和IPM。IPM以1G

7、BT作为功率开关。 2、电路集成和系统集成及封装工艺 电路集成的进一步发展方向是系统集成。 美国VICOR公司生产的第一代电源模块受生产技术、功率、磁元件体积以及封装技术的限制，功率密度始终未能超过每立方英寸80瓦。 第二代产品功率器件的管芯直接焊接在基板上以取代第一代TO-200封装，可以提离散热效果，降低寄生电感、电容和热阻。功率密度已经达到了每立方英寸120瓦。但还不是系统集成。 李泽元教授领导的美国电力电子系统中心已经提出了系统集成的设想。信息传输、控制与功率半导体器件全部集在一起，组成的元件之间不用导线连接以增加可靠性。采用三维空间热耗散的方法来改善散热，有可能将功率从低功率（几百瓦

8、至上千瓦）做到高功率（几十千瓦以上）。 英特尔的微处理器的发展趋势是速度更快，电压更低，而需要的电流容量一直在增加。现在的做法是把开关电源紧靠在微处理器上，开关电源以很快的速度提供电流给微处理器，这样尚能满足现有微处理器的要求. 但将来微处理器工作电压降低、电流增加、速度加快的时候。现有的解决方法将无法达到它的要求。为此提出的构想是：开关电源紧密结合在微处理器主机板下面。这样开关电源的大小必须与微处理器相当，而现在的开关电源要比微处理器大几十倍。如何减小体积?这又面临新的挑战！3、功率因数校正技术发展动态 功率因数校正的概念起源于1980年，但被重视和推广则在上个世纪80年代末期和90年代。欧

9、洲和日本相继对开关电源装置的输入谐波要求制定了标准。它们是IEC555-2和IEC1000-3-2。这使得研究PFC技术已成为电源界的热点。通常有两大类PFC技术：一类是无源PFC技术，另一类是有源PFC技术。 无源PFC技术特点是:简单，但体积庞大、笨重。 有些场合则无法满足要求。 有源PFC特点是控制复杂，但体积大大减小。另外，设计也易优化，进一步提高性能。 4、低压大电流DC/DC变换技术 的发展动态 低压大电流高功率DC/DC变换技术，已从前些年的3.3V降至现在的 1.0V左右，电流目前已可达到几十安至几百安。同时，电源的输出指标，如纹波、精度、效率、欠冲、过冲等技术指标也得到进一步提高。 它的研究内容非常广泛，包括电路拓扑结构动态问题（尤其是负载的大信号动态问题）、同步整流技术、控