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    開關電源廠家,基立電源ENGLISH
    開關電源技術的發展方向
    2018-11-5      瀏覽次數:1890

    1.       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件材料,其優點是:禁帶寬,工作溫度高(可達600°C),通態電阻小,導熱性能好,漏電流極小,PN結耐壓高等。

    2.       高頻磁技術

    高頻開關變換器中用了多種磁元件,有許多基本問題要研究。

    1)隨著開關電源的高頻化,在低頻下可以忽略的某些寄生參數,在高頻下將對某些電路性能(如開關尖峰能量、噪聲水平等)產生重要影響。尤其是磁元件的渦流、漏電感、繞組交流電阻Rac和分布電容等,在低頻和高頻下的表現有很大不同。高頻磁技術理論作為學科前沿問題,仍受到人們的廣泛重視,如:磁心損耗的數學建模,磁滯回線的仿真建模,高頻磁元件的計算機仿真建模和CAD、高頻變壓器一維和二維仿真模型等。有待研究的問題還有:高頻磁元件的設計決定了高效率開關電源的性能、損耗分布和波形等,人們希望給出設計準則、方法、磁參數和結構參數與電路性能的依賴關系,明確設計的自由度與約束條件等。

    2)對高頻磁性材料有如下要求:損耗小,散熱性能好,磁性能優越。適用于兆赫級頻率的磁性材料為人們所關注,如5~6μm超薄鈷基非晶態磁帶,1MHzBm=0.1T)時,損耗僅為0.7~1W/cm3,是MnZn高頻鐵氧體的1/3~1/4。納米結晶軟磁薄膜也在研究。

    3)研究將鐵氧體或其他薄膜材料高密度集成在硅片上。或硅材料集成在鐵氧體上,是一種磁電混合集成技術。磁電混合集成還包括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。

    3. 新型電容器

    研究開發適合于功率電源系統用的新型電容器和超級大電容。要求電容量大、等效電阻(ESR)小、體積小等。據報道,美國在20世紀90年代末,已開發出330μF新型固體電容,其ESR有顯著下降。

    4. 功率因數校正AC-DC開關變換技術

    一般高功率因數AC-DC電源由兩級組成:在DC-DC變換器前加一級前置功率因數校正器,至少需要兩個主開關管和兩套控制驅動電路。這樣對于小功率開關電源說,總體效率低、成本高。

    對輸入端功率因數要求不特別高的情況,用PFC和變換器組合電路構成小功率AC-DC開關電源,只用一個主開關管,可使PF校正到0.8以上,稱為單管單級PF校正AC-DC變換器,簡稱為S4。例如一種隔離式S4PF校正AC/DC變換器,前置功率因數校正器用DCM運行的Boost變換器,后置電壓調節器主電路為反激變換器,按CCMDCM運行;兩級電路合用一個主開關管。

    5. 高頻開關電源的電磁兼容研究

    高頻開關電源的電磁兼容問題有特殊性。通常,它涉及到開關過程產生的di/dtdv/dt,引起強大的傳導型電磁干擾和諧波干擾。有些情況還會引起強電磁場輻射。不但嚴重污染周圍電磁環境,對附近的電氣設備造成電磁干擾,還可能危及附近操作人員的安全。同時,開關電源內部的控制電路也必須能承受主電路及工業應用現場電磁噪聲的干擾。由于上述特殊性和測量上的具體困難,專門針對開關電源電磁兼容的研究工作,目前還處于起始階段。顯然,在電磁兼容領域,存在著許多交叉科學的前沿課題有待人們研究。如:典型電路與系統的近場、傳導干擾和輻射干擾建模;印制電路板和開關電源EMC優化設計軟件;低中頻、超音頻及高頻強磁場對人體健康的影響;大功率開關電源EMC測量方法的研究等。

    6. 開關電源的設計、測試技術

    建模、仿真和CAD是一種新的、方便且節省的設計工具。為仿真開關電源,首先要進行仿真建模。仿真模型中應包括電力電子器件、變換器電路、數字和模擬控制電路,以及磁元件和磁場分布模型,電路分布參數模型等,還要考慮開關管的熱模型、可靠性模型和EMC建模。各種模型差別很大,因此建模的發展方向應當是:數字-模擬混合建模;混合層次建模;以及將各種模型組成一個統一的多層次模型(類似一個電路模型,有方塊圖等);自動生成模型,使仿真軟件具有自動建模功能,以節約用戶時間。在此基礎上,可建立模型庫。

    開關電源的CAD,包括主電路和控制電路設計、器件選擇、參數優化、磁設計、熱設計、EMI設計和印刷電路板設計、可靠性預估、計算機輔助綜合和優化設計等。用基于仿真的專家系統進行開關電源的CAD,可使所設計的系統性能最優,減少設計制造費用,并能做可制造性分析,是21世紀仿真和CAD技術的發展方向之一?,F在國外已開發出設計DC-DC開關變換器的專家系統和仿真用MATSPICE軟件。

    此外,開關電源的熱測試、EMI測試、可靠性測試等技術的開發、研究與應用也是應大力發展的。

    7. 低電壓、大電流的開關電源開發

    (1)低電壓、大電流的開關變換器的要求

    數據處理系統的速度和效率日益提高,新一代微處理器邏輯電壓低達1.1~1.8V,而電流達50~100A,其供電電源——低電壓、大電流輸出DC-DC變換器模塊,又稱為電壓調整器模塊(VRM)。新一代微處理器VRM的要求是:輸出電壓很低,輸出電流大,電流變化率高,響應快等。

    為降低IC的電場強度和功耗,必須降低微處理器供電電壓,因此VRM的輸出電壓要從傳統的3V左右降低到小于2V,甚至1V。

    運行時,電源輸入電流>100A,由于寄生L、C參數,電壓擾動大,應盡量減小L。

    微處理器起停頻繁,不斷從休眠狀態啟動,工作,再進入休眠狀態。因此要求VRM電流從0突變到50A,又突降到0,電流變化率達5A/ns。

    設計時應控制擾動電壓10%,允許輸出電壓變化±2%。

    (2)采用波形交錯技術

    線路的寄生阻抗、電容的ESRESLVRM在負載變化過程中的電壓調整影響很大。必須研制高頻、高功率密度和快速的新型VRM?,F在已有多種拓撲問世,如:同步整流Buck變換器(用功率MOS管替代開關二極管);為防止電流大幅度變化時由于高頻寄生參數引起輸出電壓擾動,有文獻介紹采用多輸入通道或稱多相DC-DC變換器,如圖1所示,應用波形交錯(Interleaving)技術,保證VRM輸出紋波小,改善輸出瞬態響應,并可減小輸出濾波電感和電容。


    (3)電壓紋波與沖擊電壓問題

    電壓紋波與ESR。對于電壓在1V以下、電流在100A以上的負載,其負載電阻在10mΩ以下,低于濾波電容的內部等效串聯電阻,會出現電壓紋波問題?,F在,假設可以通過升降壓或升壓型變換器實現這種電源,但流過電容的紋波電流在100A以上,效率小于50%。對此,降壓型變換器中含有串聯濾波電感,可抑制紋波電流。但是,負載電阻與ESR相當,紋波電流分別流過電容和負載,其動作模式和目前的濾波電路不同。

    為探討紋波電壓動作模式,首先給出等效電路進行仿真。仿真中根據Crc的值,有四種動作模式的紋波電壓。電壓紋波值與rc/R的變化關系曲線,也有四種動作模式,C越大,紋波率就越小。為進一步降低低壓大電流輸出電壓紋波,即減小濾波電容ESR值,必須采取一定的方法和策略。

    負載突變引起的沖擊電壓。對于數字電路的負載,為快速響應各種模式的轉換,輸出電壓相應于負載變化的瞬態響應特性就顯得非常重要。此時,如果電流的變化率大,沖擊產生時間比開關周期Ts短,則很難期待由反饋而帶來的輸出電壓穩定效果。目前技術還沒有辦法,正處于仿真研究階段。

    (4)探尋省略濾波電容的可能性

    如果因負載急變引起輸出電壓波動,波動持續時間超過開關周期的話,通過反饋可在一定程度上進行調整,LC濾波電路對此電壓調整效果起決定作用。為達到電壓調整目的,必須提高開關頻率,減小LC值,讓截止頻率盡量向高域端延伸。有人考慮用兩個非對稱逆變器(帶變壓器)輸出雙相方波,每個逆變器的輸出電壓通過半波整流接向共同的負載,將截止頻率延伸至高域端。

    開關頻率由MOSFET的開關時間所決定,為了提高開關效率,使超過其極限值,在實用中可采用多相開關方式等效提高開關頻率的方法。但是,相數也有限制。另外,變化的原因僅在于負載一側,讓截止頻率盡量低也非常有效。為達到此目的,使用電氣雙層電容濾波器可能是今后的發展方向。當然,為此必須考慮怎樣同時降低雙層電容器的等效串聯電阻和等效串聯電感。

    (5)便攜式設備與燃料電池

    對于手提電腦、手機、數碼相機等便攜式電器,電源是出問題最多的部分。便攜式設備的電源一直以來是傳統電池的天下,傳統電池在輕便與長時使用性方面,還不能充分滿足用戶的要求。為此,由固體高分子材料構成的燃料電池最近引起了大家的關注。燃料電池是以甲醇為燃料,鉑為催化劑,其構造為電極間夾電解質膜,能量密度可做到鋰電池的10倍。100°C以下的工作溫度包括在常溫下可以發電,單節電壓大概為1~2V。本來用氫作燃料最理想,但從實用出發,用甲醇和鉑催化劑的組合較方便。不過其對于負載變化的跟隨性有問題,因此為保護電極,需要與電容組合使用。

    燃料電池的優點是維護方便,可長時間使用。電能不足時,僅補充燃料即可,不需要長時間充電。

    以上就低壓、大電流開關電源為中心,對開關電源的未來技術發展方向進行了論述。按照摩爾定律,每18個月IC的集成度會增加2倍,因此很難斷定電壓會降低到何種程度為止。如果這種趨勢無限制的持續下去,可以預想對電源的要求會越來越高。要滿足這些要求,首先以開發新的半導體和電容為前提,另外從電路角度來建立元器件微細結構模型也可能成為解決問題的關鍵點。因此,今后在各種層面上打破學科界線進行協同研究的必要性會越來越高。

    8. 低電壓、大電流DC-DC變換器模塊

    IEEE Spectrum報道,2005年數據處理器所用的大規模集成電路的晶體管密度將達到1/cm2,時鐘頻率為1GHz,特征尺寸


    為適應下一代快速微處理器、可攜式通信設備、服務器等供電的需求,要開發大電流(50~100A)、低輸出電壓(小于1V)、電流變化率高(5A/ns)的VRM。研究新拓撲,應用高性能元器件,研究新結構和封裝技術,使體積相當的微處理器和與VRM集成封裝。圖2所示為微處理器與VRM集成的一種設想。




       
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