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电源系统应用元件特征

信息来源:本站 日期:2017-05-02 

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功率半导体器件机能

MOS管,它采用“超级结”(Super-Junction)结构,故又称超结功率MOSFET。全数字控制是发展趋势,已经在很多功率变换设备中得到应用。既管理了对电网的谐波污染,又进步了电源的整体效率。跟着脉宽调制(PWM)技术的发展,PWM开关电源问世,它的特点是用20kHz的载波进行脉冲宽度调制,电源的效率可达65%"70%,而线性电源的效率只有30%"40%。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热门之一。此外,还要求开关电源效率要更高,机能更好,可靠性更高等。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。

系统集成技术

电源设备的制造特点长短尺度件多、劳动强度大、设计周期长、本钱高、可靠性低等,而用户要求制造厂出产的电源产品更加实用、可靠性更高、更轻小、本钱更低。

第三个阶段从20世纪90年代中期开始,集成电力电子系统和集成电力电子模块(IPEM)技术开始发展,它是当今国际电力电子界亟待解决的新题目之一。使开关电源小型化的详细办法有以下几种。

开关电源的三个重要发展阶段开关电源经历了三个重要发展阶段。

第二个阶段自20世纪80年代开始,高频化和软开关技术的研究开发,使功率变换器机能更好、重量更轻、尺寸更小。

全数字化控制

电源的控制已经过模拟控制,模数混合控制,进入到全数字控制阶段。这一技术称为有源功率因数校正(APFC),单相APFC海内外开发较早,技术已较成熟;三相APFC的拓扑类型和控制策略固然已经有良多种,但还有待继承研究发展。为了实现电源高功率密度,必需进步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。

开关电源功率密度

进步开关电源的功率密度,使之小型化、轻量化,是人们不断追求的目标。这对便携式电子设备(如移动电话,数字相机等)尤为重要。这一切高新要求便促进了开关电源的不断发展和提高。跟着超大规模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不断减小,电源的尺寸与微处理器比拟要大得多;而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备(如手提计算机、移动电话等)更需要小型化、轻量化的电源。上述特殊性,再加上EMI丈量上的详细难题,在电力电子的电磁兼容领域里,存在着很多交叉学科的前沿课题有待人们研究。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,其等效电路如统一个串并联谐振电路,是功率变换领域的研究热门之一。因此,对开关电源提出了小型轻量要求,包括磁性元件和电容的体积重量也要小。因此,用工作频率为20kHz的PWM开关电源替换线性电源,可大幅度节约能源,从而引起了人们的广泛关注,在电源技术发展史上被誉为20kHz革命。

三是采用新型电容器。

二是应用压电变压器。工作电压600"800V,通态电阻几乎降低了一个数目级,仍保持开关速度快的特点,是一种有发展前途的高频功率半导体器件。假如对输入端功率因数要求不特别高时,将PFC变换器和后级DC/DC变换器组合成一个拓扑,构成单级高功率因数AC/DC开关电源,只用一个主开关管,可使功率因数校正到0.8以上,并使输出直流电压可调,这种拓扑结构称为单管单级PFC变换器。合用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注,纳米结晶软磁材料也已开发应用。

功率因数校正(PFC)变换器因为AC/DC变换电路的输入端有整流器件和滤波电容,在正弦电压输入时,单相整流电源供电的电子设备,电网侧(交流输入端)功率因数仅为0.6-0.65。同时,电力电子电路(如开关变换器)内部的控制电路也必需能承受开关动作产生的EMI及应用现场电磁噪声的干扰。

上世纪90年代,跟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,进步了集成度,泛起了集成电力电子模块(IPEM)。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。长处是可快速高效为用户提供产品,明显降低本钱,进步可靠性。

一是高频化。开关稳压电源(以下简称开关电源)问世后,在良多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。

全数字控制的长处是数字信号与混合模数信号比拟可以标定更小的量,芯片价格也更低廉;对电流检测误差可以进行精确的数字校正,电压检测也更精确;可以实现快速,灵活的控制设计。这些情况使电源制造厂家承受巨大压力,迫切需要开展集成电源模块的研究开发,使电源产品的尺度化、模块化、可制造性、规模出产、降低本钱等目标得以实现。

可以预见,碳化硅二极管将是21世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料。

高频磁性元件

电源系统中应用大量磁元件,高频磁元件的材料、结构和机能都不同于工频磁元件,有很多题目需要研究。

近两年来,高机能全数字控制芯片已经开发,用度也已降到比较公道的水平,欧美已有多家公司开发并制造出开关变换器的数字控制芯片及软件。

一般高功率因数AC/DC开关电源,由两级拓扑组成,对于小功率AC/DC开关电源来说,采用两级拓扑结构总体效率低、本钱高。

电磁兼容性

高频开关电源的电磁兼容(EMC)题目有其特殊性。

实际上,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。功率半导体器件在开关过程中所产生的di/dt和dv/dt,将引起强盛的传导电磁干扰和谐波干扰,以及强电磁场(通常是近场)辐射。

IPEM将功率器件与电路、控制以及检测、执行等单元集成封装,得到尺度的,可制造的模块,既可用于尺度设计,也可用于专用、特殊设计。海内外很多大学均开展了电力电子电路的电磁干扰和电磁兼容性题目的研究,并取得了不少可喜成果。早期泛起的是串联型开关电源,其主电路拓扑与线性电源相仿,但MOS管封装功率晶体管工作于开关状态。采用功率因数校正(PFC)变换器,网侧功率因数可进步到0.95"0.99,输入电流THD<10%。
第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件(BPT、SCR、GT0)发展为MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等),使电力电子系统有可能实现高频化,并大幅度降低导通损耗,电路也更为简朴。为了减小电力电子设备的体积和重量,须想法改进电容器的机能,进步能量密度,并研究开发适合于电力电子及电源系统用的新型电容器,要求电容量大、等效串联电阻(ESR)小、体积小等。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。对高频磁元件所用的磁性材料,要求其损耗小、散热机能好、磁机能优胜。

碳化硅(SiC)是功率半导体器件晶片的理想材料,其长处是禁带宽、工作温度高(可达600℃)、热不乱性好、通态电阻小、导热机能好、漏电流极小、PN结耐压高等,有利于制造出耐高温的高频大功率半导体器件。


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