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五大關注點促進開關電源技術發展

鉅大LARGE  |  點擊量:750次  |  2020年06月01日  

關注點一:開關電源功率密度


提高開關電源的功率密度,使之小型化、輕量化,是人們不斷努力追求的目標。電源的高頻化是國際電力電子界研究的熱點之一。電源的小型化、減輕重量對便攜式電子設備(如移動電話,數字相機等)尤為重要。使開關電源小型化的具體辦法有:


一是高頻化。為了實現電源高功率密度,必須提高PWM變換器的工作頻率、從而減小電路中儲能元件的體積重量。


二是應用壓電變壓器。應用壓電變壓器可使高頻功率變換器實現輕、小、薄和高功率密度。壓電變壓器利用壓電陶瓷材料特有的“電壓-振動”變換和“振動-電壓”變換的性質傳送能量,其等效電路如同一個串并聯諧振電路,是功率變換領域的研究熱點之一。


三是采用新型電容器。為了減小電力電子設備的體積和重量,必須設法改進電容器的性能,提高能量密度,并研究開發適合于電力電子及電源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。

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充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

關注點二:功率半導體器件性能


1998年,Infineon公司推出冷mos管,它采用“超級結”(Super-Junction)結構,故又稱超結功率MOSFET。工作電壓600V~800V,通態電阻幾乎降低了一個數量級,仍保持開關速度快的特點,是一種有發展前途的高頻功率半導體電子器件。


IGBT剛出現時,電壓、電流額定值只有600V、25A。很長一段時間內,耐壓水平限于1200V~1700V,經過長時間的探索研究和改進,現在IGBT的電壓、電流額定值已分別達到3300V/1200A和4500V/1800A,高壓IGBT單片耐壓已達到6500V,一般IGBT的工作頻率上限為20kHz~40kHz,基于穿通(PT)型結構應用新技術制造的IGBT,可工作于150kHz(硬開關)和300kHz(軟開關)。


IGBT的技術進展實際上是通態壓降,快速開關和高耐壓能力三者的折中。隨著工藝和結構形式的不同,IGBT在20年歷史發展進程中,有以下幾種類型:穿通(PT)型、非穿通(NPT)型、軟穿通(SPT)型、溝漕型和電場截止(FS)型。


碳化硅Sic是功率半導體器件晶片的理想材料,其優點是:禁帶寬、工作溫度高(可達600℃)、熱穩定性好、通態電阻小、導熱性能好、漏電流極小、PN結耐壓高等,有利于制造出耐高溫的高頻大功率半導體電子元器件。

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標稱電壓:28.8V
標稱容量:34.3Ah
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應用領域:勘探測繪、無人設備

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。


關注點三:高頻磁與同步整流技術


電源系統中應用大量磁元件,高頻磁元件的材料、結構和性能都不同于工頻磁元件,有許多問題需要研究。對高頻磁元件所用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,納米結晶軟磁材料也已開發應用。


高頻化以后,為了提高開關電源的效率,必須開發和應用軟開關技術。它是過去幾十年國際電源界的一個研究熱點。


對于低電壓、大電流輸出的軟開關變換器,進一步提高其效率的措施是設法降低開關的通態損耗。例如同步整流SR技術,即以功率MOS管反接作為整流用開關二極管,代替蕭特基二極管(SBD),可降低管壓降,從而提高電路效率。


關注點四:分布電源結構


分布電源系統適合于用作超高速集成電路組成的大型工作站(如圖像處理站)、大型數字電子交換系統等的電源,其優點是:可實現DC/DC變換器組件模塊化;容易實現N+1功率冗余,易于擴增負載容量;可降低48V母線上的電流和電壓降;容易做到熱分布均勻、便于散熱設計;瞬態響應好;可在線更換失效模塊等。


現在分布電源系統有兩種結構類型,一是兩級結構,另一種是三級結構。


關注點五:全數字化控制


電源的控制已經由模擬控制,模數混合控制,進入到全數字控制階段。全數字控制是一個新的發展趨勢,已經在許多功率變換設備中得到應用。


但是過去數字控制在DC/DC變換器中用得較少。近兩年來,電源的高性能全數字控制芯片已經開發,費用也已降到比較合理的水平,歐美已有多家公司開發并制造出開關變換器的數字控制芯片及軟件。


全數字控制的優點是:數字信號與混合模數信號相比可以標定更小的量,芯片價格也更低廉;對電流檢測誤差可以進行精確的數字校正,電壓檢測也更精確;可以實現快速,靈活的控制設計。


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