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开关电源技术未来发展几个方面

开关电源技术未来发展几个方面

通讯业的迅速开展极大地推动了通讯电源的开展,开关电源在通讯体系中处于中心位置,并已成为现代通讯供电体系的干流。在通讯领域中,通常将高频整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)改换器称为二次电源。跟着大规模集成电路的开展,要求电源模块完结小型化,因此需求不断进步开关频率和选用新的电路拓扑结构,这就对高频开关电源技能提出了更高的要求。


1 通讯用高频开关电源技能的开展


通讯用高频开关电源技能的开展基本上可以体现在几个方面:改换器拓扑、建模与仿真、数字化操控及磁集成。


1.1 改换器拓扑


软开关技能、功率因数校对技能及多电平技能是近年来改换器拓扑方面的热门。选用软开关技能可以有用的下降开关损耗和开关应力,有助于改换器功率的进步;选用PFC技能可以进步AC/DC改换器的输入功率因数,削减对电网的谐波污染;而多电平技能首要运用在通讯电源三相输入改换器中,可以有用下降开关管的电压应力。一起由于输入电压高,选用适当的软开关技能以下降开关损耗,是多电平技能将来的重要研讨方向。


为了下降改换器的体积,需求进步开关频率而完结高的功率密度,有必要运用较小尺度的磁性材料及被迫元件,可是进步频率将使MOSFET的开关损耗与驱动损耗大幅度添加,而软开关技能的运用可以下降开关损耗。现在的通讯电源工程运用最为广泛的是有源钳位ZVS技能、上世纪90年代初诞生的ZVS移相全桥技能及90年代后期提出的同步整流技能。

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1.1.1 ZVS 有源钳位


有源箝位技能历经三代,且都申报了专利。榜首代为美国VICOR公司的有源箝位ZVS技能,将DC/DC的作业频率进步到1 MHZ,功率密度挨近200 W/IN3,然而其改换功率未超越90 %。为了下降榜首代有源箝位技能的本钱,IPD公司申报了第二代有源箝位技能专利,其选用P沟道MOSFET,并在变压器二次侧用于FORWARD电路拓扑的有源箝位,这使产品本钱减低许多。但这种办法形成的MOSFET的零电压开关(ZVS)边界条件较窄,而且PMOS作业频率也不抱负。为了让磁能在磁芯复位时不白白消耗掉,一位美籍华人工程师于2001年申请了第三代有源箝位技能专利,其特点是在第二代有源箝位的根底大将磁芯复位时释放出的能量转送至负载,所以完结了更高的改换功率。它共有三个电路计划:其中一个计划可以选用N沟MOSFET,因此作业频率可以更高,选用该技能可以将ZVS软开关、同步整流技能都结合在一起,因此其完结了高达92 %的功率及250 W/IN3以上的功率密度。


1.1.2 ZVS 移相全桥


从20世纪90年代中期,ZVS移相全桥软开关技能已广泛地运用于中、大功率电源领域。该项技能在MOSFET的开关速度不太抱负时,对改换器功率的进步起了很大作用,但其缺陷也不少。榜首个缺陷是添加一个谐振电感,其导致必定的体积与损耗,而且谐振电感的电气参数需求坚持一致性,这在制作进程中是比较难操控的;第二个缺陷是丢掉了有用的占空比。此外,由于同步整流更便于进步改换器的功率,而移相全桥对二次侧同步整流的操控作用并不抱负。开始的PWM ZVS移相全桥操控器,UC3875/9及UCC3895仅操控初级,需另加逻辑电路以供给精确的次极同步整流操控信号;如今最新的移相全桥PWM操控器如LTC1922/1、LTC3722-1/-2,虽然已添加二次侧同步整流操控信号,但仍不能有用地到达二次侧的ZVS/ZCS同步整流,但这是进步改换器功率最有用的办法之一。而LTC3722-1/-2的另一个严重改善是可以减小谐振电感的电感量,这不只下降了谐振电感的体积及其损耗,占空比的丢掉也所改善。


1.1.3 同步整流


同步整流包括自驱动与外部驱动。自驱动同步整流办法简单易行,可是次级电压波形简单遭到变压器漏感等许多要素的影响,形成批量出产时可靠性较低而较少运用于实践产品中。关于12 V以上至20 V左右输出电压的改换则多选用专门的外部驱动IC,这样可以到达较好的电气功用与更高的可靠性。


TI公司提出了猜测驱动策略的芯片UCC27221/2,动态调理死区时刻以下降体二极管的导通损耗。ST公司也规划出相似的芯片STSR2/3,不只用于反激也适用于正激,一起改善了连续与断续导通模式的功用。美国电力电子体系中心(CPES)研讨了各种谐振驱动拓扑以下降驱动损耗,并于1997年提出一种新式的同步整流电路,称为准方波同步整流,可以较大地下降同步整流管体二极管的导通损耗与反向恢复损耗,而且简单完结初级主开关管的软开关。凌特公司推出的同步整流操控芯片 LTC3900和LTC3901可以更好地运用于正激、推挽及全桥拓扑中。


ZVS及ZCS同步整流技能也已开始运用,例如有源钳位正激电路的同步整流驱动(NCP1560),双晶体管正激电路的同步整流驱动芯片LTC1681及LTC1698,但其都未获得对称型电路拓朴ZVS/ZCS同步整流的优秀作用。


1.2 建模与仿真


开关型改换器首要有小信号与大信号剖析两种建模办法。


小信号剖析法:首要是状况空间均匀法,由美国加里福尼亚理工学院的R.D.MIDDLEBROOK于1976年提出,可以说这是电力电子学领域建模剖析的榜首个真实含义的严重突破。后来出现的如电流注入等效电路法、等效受控源法(该法由我国学者张兴柱于1986年提出)、三端开关器材法等,这些均归于电路均匀法的领域。均匀法的缺陷是显着的,对信号进行了均匀处理而不能有用地进行纹波剖析;不能精确地进行稳定性剖析;对谐振类改换器可能不大合适;要害的一点是,均匀法所得出的模型与开关频率无关,且适用条件是电路中的电感电容等发生的天然频率有必要要远低于开关频率,精确性才会较高。


大信号剖析法:有解析法,相平面法,大信号等效电路模型法,开关信号流法,N次谐波三端口模型法,KBM法及通用均匀法。还有一个是我国华南理工大学教授丘水生先生于1994年提出的等效小参量信号剖析法,不只适用于PWM改换器也适用于谐振类改换器,而且可以进行输出的纹波剖析。


建模的意图是为了仿真,继而进行稳定性剖析。1978年,R.KELLER初次运用R.D.MIDDLEBROOK的状况空间均匀理论进行开关电源的SPICE仿真。近30年来,在开关电源的均匀SPICE模型的建模方面,许多学者都建立了各式各样的模型理论,然后形成了各种SPICE模型。这些模型各有所长,比较有代表性的有:DR.SAMBENYAAKOV的开关电感模型;DR.RAYRIDLEY的模型;根据DR.VATCHEVORPERIAN的ORCAD9.1的开关电源均匀PSPICE模型;根据STEVEN SANDLER的ICAP4的开关电源均匀ISSPICE模型;根据DR. VINCENTG.BELLO的CADENCE的开关电源均匀模型等等。在运用这些模型的根底上,结合改换器的首要参数进行宏模型的构建,并运用所建模型构成的DC/DC改换器在专业的电路仿真软件(MATLAB、PSPICE等)渠道上进行直流剖析、小信号剖析以及闭环大信号瞬态剖析。


由于改换器的拓扑一日千里,开展速度极快,相应地,对改换器建模的要求也越来越严厉。可以说,改换器的建模有必要要赶上改换器拓扑的开展脚步,才能更精确地运用于工程实践。


1.3 数字化操控


数字化的简单运用首要是维护与监控电路,以及与体系的通讯,现在已大量地运用于通讯电源体系中。其可以替代许多模仿电路,完结电源的起动、输入与输出的过、欠压维护、输出的过流与短路维护,及过热维护等,经过特定的介面电路,也能完结与体系间的通讯与显现。


数字化的更先进运用包括不光完结完善的维护与监控功用,也能输出PWM波,经过驱动电路操控功率开关器材,并完结闭环操控功用。现在,TI、ST及MOTOROLA公司等均推出了专用的电机与运动操控DSP芯片。现阶段通讯电源的数字化首要采纳模仿与数字相结合的方式,PWM部分依然选用专门的模仿芯片,而DSP芯片首要参加占空比操控,和频率设置、输出电压的调理及维护与监控等功用。


为了到达更快的动态呼应,许多先进的操控办法已逐渐提出。例如,安森美公司提出改善型V2操控,英特矽尔公司提出ACTIVE-DROOP操控,SEMTECH公司提出电荷操控,仙童公司提出VALLEY电流操控,IR公司提出多相操控,而且美国的多所大学也提出了多种其他的操控思维。数字操控可以进步体系的灵活性,供给更好的通讯介面、故障诊断才能、及抗干扰才能。可是,在精细的通讯电源中,操控精度、参数漂移、电流检测与均流,及操控推迟等要素将是需求急待解决的实践问题。


1.4 磁集成


跟着开关频率的进步,开关改换器的体积随之削减,功率密度也得到大幅进步,但开关损耗将随之添加,而且将运用更多的磁性器材,因此占有更多的空间。


国外关于磁性元件集成技能的研讨较为老练,有些厂商已将此技能运用于实践的通讯电源中。其实磁集成并不是一个新概念,早在20世纪70年代末,CUK在提出CUK改换器时就已提出磁集成的思维。自1995年至今,美国电力电子体系并中心(CPES)对磁性器材集成作了许多的研讨作业,运用耦合电感的概念对多相BUCK电感集成做了深入研讨,且运用于各种不同类型的改换器中。2002年,香港大学YIM-SHU LEE等人也提出一系列关于磁集成技能的讨论与规划。


惯例的磁性元件规划办法极端繁琐且需求从不同的视点来考虑,如磁心的巨细选择,材质与绕组的断定,及铁损和铜损的评价等。可是磁集成技能除此之外,还有必要考虑磁通不平衡的问题,由于磁通分布在铁心的每一部分其等效总磁通量是不同的,有些部分可能会提早饱满。因此,磁性器材集成的剖析与研讨将会愈加杂乱与困难。可是,其所带来的高功率密度的优势,必是将来通讯电源的一大开展趋势。


1.5 制作工艺


通讯用高频开关电源的制作工艺适当杂乱,而且直接影响到电源体系的电气功用、电磁兼容性及可靠性,而可靠性是通讯电源的首要目标。出产制作进程中齐备的检测手法,完全的工艺监控点与防静电等办法的选用在很大程度上延续了产品最佳的规划功用,而SMD贴片器材的广泛运用将可以大大进步焊接的可靠性。欧美国家将从2006年起对电子产品要求无铅工艺,这将对通讯电源中器材的选用及出产制作进程的操控提出更高、更严厉的要求。


现在更为吸引的技能是美国电力电子体系中心(CPEC)在近几年提出的电力电子集成模块(IPEM)的概念,俗称“积木”。选用先进的封装技能而下降寄生要素以改善电路中的电压振铃 与功率,将驱动电路与功率器材集成在一起以进步驱动的速度因此下降开关损耗。电力电子集成技能不只可以改善瞬态电压的调理,也能改善功率密度与体系的功率。可是,这样的集成模块现在存在许多应战,首要是被迫与自动器材的集成方式,而且较难到达最佳的热规划。CPEC对电力电子集成技能进行了多年的研讨,提出了许多有用的办法、结构与模型。HO6CJTXRV

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