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    開關電源廠家,基立電源ENGLISH
    通信開關電源技術發展歷程和發展方向
    2018-11-5      瀏覽次數:1974

    [摘要]簡要回顧了20世紀通信開關電源技術發展和取得的成就;高功率密度、高功率、高性能、高可靠性仍然是今后通信開關電源的發展方向。提出了21世紀我國應注意開發的通信開關電源技術;碳化硅(SiC)功率半導體器件、平面磁心及平面變壓器、集成磁元件、磁電混合集成元件、S4高功率因數開關變換器、低電壓大電流DC-DC變換器(VRM)、電源EMI、可靠性和熱分布的設計及測試等技術的開發、研究與應用等。

      關鍵詞:通信 開關電源 DC-DC開關變換器 通信用AC-DC電源早期采用鐵磁諧振穩壓器(FerroResonance Stabilizer)和半導體整流器組成的電源系統。70年代改用相控穩壓電源(Phase-Conrolled Stabilizer)以晶閘管(Thyristor)即硅可控整流元件(SCR)為主,組成380(220)V AC/48V DC穩壓系統,稱為相控整流器(Phase-Conrolled Rectirier)。所需±5V、±12V DC由線性電子.

      穩壓電源或其它穩壓電源供給。 80年代,大功率AC/DC開關電源(400V AC輸入、輸出48V DC、500W-6kW)成為通信系統一次電源的主流產品,稱為開關整流器SMR(Switching-mode Rectifier)。配置48/±5,±12V DC-DC開關變換器模塊和鈴流模塊,稱為二次電源。開關整流器與相控整流器比較,在體積、重量和效率幾方面更為優越(表1)。

      隨著微處理器ULSI尺寸不斷減小,供電電源的尺寸與微處理器相比更大得多,需要發展小型輕型電源(見表2);電源的小型化、輕量化,對便攜式通信設備(如移動電話等)更為重要。為達到高功率密度,必須提高開關電源工作頻率。下代微處理機還要求更低輸出電壓(≤1V)的開關電源。 對通信開關電源的要求是:高功率密度、外形尺寸小、高效率、高性能、高可靠性、高功率因數(AC輸入端),以及智能化、低成本、EMI小、可制造性(Manufacturability)、分布電源結構(Distributed Power Architecture)等。

      20世紀推動開關電源性能和質量不斷提高的主要技術是:

      1.新型高頻功率半導體器件

     如功率MOSFET和IGBT已完全可代替功率晶體管和中小電流的晶閘管,使開關電源工作頻率可達到400kHz(AC-DC開關變換器)和1MHZ(DC-DC)開關變換器,實現開關電源高頻化有了可能。超快恢復功率二極管和MOSFET同步整流技術的開發,也為研制高效低電壓輸出(≤3V)的開關電源創造了條件。

      2.軟開關技術

      PWM開關電源按硬開關模式工作(開/關過程中,電壓下降/上升/下降波形有交疊),因而開關損耗大。開關電源高頻化可以縮小體積重量,但開關損耗卻更大了(功耗與頻率成正比)。為此必須研究開關電壓/電流波形不交疊的技術,即所謂零電壓(ZVS)/零電流(ZCS)開關技術,或稱軟開關技術(相對于PWM硬開關技術而言)。

      90年代中期,30A/48V開關整流器模塊采用移相全橋(Phase-shifted Full bridge)ZVS-PWM技術后,重7。比用PWM技術的同類產品,重量下降40%。軟開關技術的開發和應用提高了開關電源的效率,據說,最近國外小功率DC-DC開關電源模塊(48/12V)總功率可達到96%;48/5V DC-DC開關電源模塊的效率可達到92-93%。20世紀末,國內生產的50-100A輸出、全橋移相ZV-ZCS-PWM開關電源模塊的效率超過93%。

      3.控制技術

      電流型控制及多環控制(Multi-loop control)已得到較普遍應用;電荷控制(Charge control),一周期控制(One-cycle control),數字信號處理器(DSP)控制等技術的開發及相應專用集成控制芯片的研制,使開關電源動態性能有很大提高,電路也大幅度簡化。

      4.有源功率因數校正技術

      由于輸入端有整流元件和濾波電容,單相AC-DC開關電源及一大類整流電源供電的電子設備,其電網側(輸入端)功率因數僅為0.65。用有源功率校正技術(Active Power Factor Correction),簡稱APPC,可提高到0.95-0.99,既治理了電網的諧波“污染”,又提高了開關電源的整體效率。單相APFC是DC-DC開關變換器拓撲和功率因數控制技術的具體應用,而三相APFCA則是三相PWM整流開關拓撲和功率因數控制技術的結合。 國內通信電源專業工廠已將有源功率因數校正技術應用于輸出6kW、100A通信用AC-DC開關電源中,輸入端功率因數可達0.92-0.93。

      5.Magamp后置調節器技術

      80年代,由于高頻磁性材料,如非晶態軟磁合金(Amorphous)、超微晶軟磁合金(Nano-crystalline alloy)等的發展,使有可能在多路輸出的高頻(>100kHz)開關電源中用高頻磁放大器(Magamp),即可控飽和電感(Controlled Saturable Indutor),作為其中一路輸出的電壓調節器(Output Regulator),稱為后置調節器(Post-regulator)。其優點是:電路簡單、EMI小、可靠、高效,可較精確地調節輸出電壓。特別適合應用于輸出電流1安到幾十安的開關電源。

      6.飽和電感技術

      飽和電感(Saturable inductor)是帶鐵心(無空隙)的線圈,其特點是:鐵心的飽和程度和電感量隨通過的電流大小而變。如果鐵心磁特性是理想的(例如呈矩形),則飽和電感工作時,類似一個開關。在開關電源中,應用飽和電感可以吸收浪涌、抑制尖峰、消除寄生振蕩,和快恢復整流管串聯時可使整流管損耗減小。

      飽和電感在開關電源中的應用

      a)用作移相全橋ZVS-PWM開關電源的諧振電感,從而擴大了輕載下開關電源滿足ZVS條件的范圍。

      b)消除開關電源的二次寄生振蕩與開關電源的隔離變壓器副邊輸出整流管串聯,可消除二次寄生振蕩(Secondary parasitic ringing),減少循環能量,并使移相全橋ZVS-PWM開關電源的占控比損失最小。

      c)移相全橋ZVS-PWM開關電源中實現ZV-ZCS 和電容串接在移相全橋ZVS-PWM開關電源變壓器原邊,超前臂開關管按ZVS工作;當負載電流趨近于零時,電感量增大,阻止電流反向變化;創造了滯后臂開關管ZCS條件,實現移相全橋ZV-ZCS PWM開關電源.

      7.分布電源技術、并聯均流技術 分布電源技術(Distributeb Power Technipue)是將250-425/48V DC-DC變換器產生的48V母線(Distributed Bus)電壓,供電給負載板(Board),再通過板上(On board)若干個并聯的薄型(Low Profile)DC-DC變換器,將48V變換為負載所需的3.3-5V電壓。一般,DC-DC變換器的功率密度達100W/in3、效率90%,并且應當是可并聯的(Parallelable)。分布電源系統適合于用超高速集成電路(Very High Speed IC-VHSIC)組成的大型工作站(如圖像處理站)、大型數字電子交換系統等,其優點是:可降低48V母線上的電流和電壓降;容易實現N+1冗余(Redundancy),提高了系統可靠性;易于擴增負載容量;散熱好;瞬態響應好;減少電解電容器數量;可實現DC-DC變換器組件模塊化(Modularity);易于使用插件連接;可在線(On line)更換失效模塊等。

      8.電源智能化技術和系統的集成化技術

    開關電源微處理器監控、電源系統內部通信、電源系統智能化技術以及電力電子系統的集成化與封裝技術等。以上簡要回顧了20世紀通信開關電源發展的歷程和取得的成就,上述各項技術的應用,尤其是開發高功率密度、高效率、高性能、高可靠性以及智能化電源系統,仍然是今后通信開關電源技術的發展方向。

      進入21世紀,我國工業界、學術界、電力電子、電子電源、通信、材料等行業,還應協同開發下述和通信開關電源相關的產品和技術。

      1.探索研制耐高溫的高性能碳化硅(SiC)功率半導體器件可以預見,碳化硅將是21世紀最可能成功應用的新型功率半導體器材料,碳化硅的優點是:禁帶寬、工作溫度高(可達600℃)、通態電阻小、導熱性能好、漏電流極小、PN結耐壓高,等等。

      2.平面磁心及平面變壓器技術

      平面磁心(Planar core)的開發,可實現超薄型(Lowprofile)變壓器和超薄型開關變換器。適用于便攜式(Portable)電子設備電源及板上(On-board)電源。由于其結構呈寬扁形,散熱面積大,更適合于高頻變壓器。 平面變壓器要求磁心、繞組,銅箔繞組等。據報道,國外已有多家公司開發了平面變壓器。提箱內可放總功率達幾十kW、十幾種平面變壓器。效率97-99%;工作頻率50/Payton公司制造的5W-20kW變壓器,其體積及功率密度僅為傳統高頻變壓器的20%,一個手提箱內可放總功率達幾十kW、十幾種平面變壓器。效率97-99%;工作頻率50kHz-2MHz;漏感<0.2%;EMI小。

      3.集成高頻磁元件技術及陣列式(Matrix)磁元件技術 將多個磁元件(如多個電感,變壓器和電感)集成在一個磁心上??梢詼p少變換器體積,降低磁元件損耗。國外已有集成磁元件變換器(Integrated Magnetics Converter)的報道:50W輸出、5V及15V兩路、100kHz,DC-DC正激變換器,變壓器和輸出濾波電感在一個磁心上實現,簡稱IM變換器。 陣列式磁元件技術是將電路中磁元件離散化,形成分布式陣列布置,或形成“磁結構層”,使磁結構與電路板或其他器件緊密配合,集成化。

      4.磁電混合集成技術

      包括磁心與晶體管硅片集成、利用電感箔式繞組層間分布電容實現磁元件與電容混合集成等。

      5.新型電容器。

      研究開發適合于能源和功率系統用的新型電容器,要求電容量大、等效串聯電阻(ESR)小、體積小等。據報道,美國南卡羅里那州KEMET電子公司在90年代末,已開發出330μF新型固體(Solid Tantalum)電容,其ESR從原來的500mΩ降到30mΩ。

      6.S4功率因數校正(PF Corrected)AC-DC開關變換技術一般高功率因數AC-DC開關電源,要用兩個電力電子電路串級(Cascade)運行,在DC-DC開關變換器前加一級前置功率因數校正器。對于小功率PWM開關電源,至少需要兩個主開關管和兩套控制驅動電路,總體效率低、成本高。 用一級AC-DC開關變換器實現小功率穩壓或穩流電源,并使輸入端功率因數(PF)校正到0.8以上,稱為單管單級(Single Switch Stage),簡稱S4功率因數校正(PF Corrected)AC-DC開關變換器。例如,前置功率因數校正用DCM運行的DCM運行;兩級電路合用一個主開關管,因為反激電路有隔離變換器,故稱S4功率因數校正隔離式AC-DC開關變換器。當然,如果加有源鉗位或其他軟開關技術,還需要一個輔助開關管,稱為單級(Single Stage-S2)有隔離正軟開關電源的實驗結果;效率86.5%,功率因數0.98,THD13%,開關頻率150kHz,輸入155VAC,輸出28V,80W。

      7.輸出1V/50A的低電壓大電流DC-DC變換器。

      為適應下一代快速微處理器、可攜帶式通訊設備、服務器(Server)等供電的需求,要求開發低輸出電壓、大電流DC-DC開關變換器,或稱電壓調節器模塊VRM(Voltage Regulator Module)。其輸出電壓為1.1-1.8V,輸出電流達50-100A,電流轉換速率達5A/ns。

      由于電路有高頻寄生參數,當電流大幅度變化時,引起輸出電壓擾動。為防止這種擾動,過去采用增大輸出濾波電容、電感的方法,但缺點甚多。國外開發了用多輸入通道(Multi Channel)或多相(Multi-Phase)DC-DC變換器作為服務器的電源。輸出采用波形交錯疊加(Interleaving)方案,保證VRM輸出紋波小,改善輸出瞬態響應,并減少輸出濾波電感和電容。 表3為減小VRM輸出紋波的兩種方案比

      8.通信開關電源的設計、測試技術主要是電源熱設計及測試,EMI設計及測試,可靠性設計及測試等技術的開發、研究與應用。


      sunny聲明:我在見到原文時,文中所提到的表格即沒有找到,是一大遺憾!若那位朋友曾經見過,不妨告之,十分感謝!




       
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