開關(guān)電源技術(shù)未來發(fā)展幾個方面

通訊業(yè)的迅速開展極大地推動了通訊電源的開展,開關(guān)電源在通訊體系中處于中心位置,并已成為現(xiàn)代通訊供電體系的干流。在通訊領(lǐng)域中,通常將高頻整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)改換器稱為二次電源。跟著大規(guī)模集成電路的開展,要求電源模塊完結(jié)小型化,因此需求不斷進步開關(guān)頻率和選用新的電路拓撲結(jié)構(gòu),這就對高頻開關(guān)電源技能提出了更高的要求。

  1 通訊用高頻開關(guān)電源技能的開展

  通訊用高頻開關(guān)電源技能的開展基本上可以體現(xiàn)在幾個方面:改換器拓撲、建模與仿真、數(shù)字化操控及磁集成。

  1.1 改換器拓撲

  軟開關(guān)技能、功率因數(shù)校對技能及多電平技能是近年來改換器拓撲方面的熱門。選用軟開關(guān)技能可以有用的下降開關(guān)損耗和開關(guān)應(yīng)力,有助于改換器功率的進步;選用PFC技能可以進步AC/DC改換器的輸入功率因數(shù),削減對電網(wǎng)的諧波污染;而多電平技能首要運用在通訊電源三相輸入改換器中,可以有用下降開關(guān)管的電壓應(yīng)力。一起由于輸入電壓高,選用適當(dāng)?shù)能涢_關(guān)技能以下降開關(guān)損耗,是多電平技能將來的重要研討方向。

  為了下降改換器的體積,需求進步開關(guān)頻率而完結(jié)高的功率密度,有必要運用較小尺度的磁性材料及被迫元件,可是進步頻率將使MOSFET的開關(guān)損耗與驅(qū)動損耗大幅度添加,而軟開關(guān)技能的運用可以下降開關(guān)損耗,F(xiàn)在的通訊電源工程運用最為廣泛的是有源鉗位ZVS技能、上世紀(jì)90年代初誕生的ZVS移相全橋技能及90年代后期提出的同步整流技能。

  1.1.1 ZVS 有源鉗位

  有源箝位技能歷經(jīng)三代,且都申報了專利。榜首代為美國VICOR公司的有源箝位ZVS技能,將DC/DC的作業(yè)頻率進步到1 MHZ,功率密度挨近200 W/in3,然而其改換功率未超越90 %。為了下降榜首代有源箝位技能的本錢,IPD公司申報了第二代有源箝位技能專利,其選用P溝道MOSFET,并在變壓器二次側(cè)用于forward電路拓撲的有源箝位,這使產(chǎn)品本錢減低許多。但這種辦法形成的MOSFET的零電壓開關(guān)(ZVS)邊界條件較窄,而且PMOS作業(yè)頻率也不抱負。為了讓磁能在磁芯復(fù)位時不白白消耗掉,一位美籍華人工程師于2001年申請了第三代有源箝位技能專利,其特點是在第二代有源箝位的根底大將磁芯復(fù)位時釋放出的能量轉(zhuǎn)送至負載,所以完結(jié)了更高的改換功率。它共有三個電路計劃:其中一個計劃可以選用N溝MOSFET,因此作業(yè)頻率可以更高,選用該技能可以將ZVS軟開關(guān)、同步整流技能都結(jié)合在一起,因此其完結(jié)了高達92 %的功率及250 W/in3以上的功率密度。

  1.1.2 ZVS 移相全橋

  從20世紀(jì)90年代中期,ZVS移相全橋軟開關(guān)技能已廣泛地運用于中、大功率電源領(lǐng)域。該項技能在MOSFET的開關(guān)速度不太抱負時,對改換器功率的進步起了很大作用,但其缺陷也不少。榜首個缺陷是添加一個諧振電感,其導(dǎo)致必定的體積與損耗,而且諧振電感的電氣參數(shù)需求堅持一致性,這在制作進程中是比較難操控的;第二個缺陷是丟掉了有用的占空比[1]。此外,由于同步整流更便于進步改換器的功率,而移相全橋?qū)Χ蝹?cè)同步整流的操控作用并不抱負。開始的PWM ZVS移相全橋操控器,UC3875/9及UCC3895僅操控初級,需另加邏輯電路以供給精確的次極同步整流操控信號;如今最新的移相全橋PWM操控器如LTC1922/1、LTC3722-1/-2,雖然已添加二次側(cè)同步整流操控信號,但仍不能有用地到達二次側(cè)的ZVS/ZCS同步整流,但這是進步改換器功率最有用的辦法之一。而LTC3722-1/-2的另一個嚴(yán)重改善是可以減小諧振電感的電感量,這不只下降了諧振電感的體積及其損耗,占空比的丟掉也所改善。

  1.1.3 同步整流

  同步整流包括自驅(qū)動與外部驅(qū)動。自驅(qū)動同步整流辦法簡單易行,可是次級電壓波形簡單遭到變壓器漏感等許多要素的影響,形成批量出產(chǎn)時可靠性較低而較少運用于實踐產(chǎn)品中。關(guān)于12 V以上至20 V左右輸出電壓的改換則多選用專門的外部驅(qū)動IC,這樣可以到達較好的電氣功用與更高的可靠性。

  TI公司提出了猜測驅(qū)動策略的芯片UCC27221/2,動態(tài)調(diào)理死區(qū)時刻以下降體二極管的導(dǎo)通損耗。ST公司也規(guī)劃出相似的芯片STSR2/3,不只用于反激也適用于正激,一起改善了連續(xù)與斷續(xù)導(dǎo)通模式的功用。美國電力電子體系中心(CPES)研討了各種諧振驅(qū)動拓撲以下降驅(qū)動損耗[2],并于1997年提出一種新式的同步整流電路,稱為準(zhǔn)方波同步整流,可以較大地下降同步整流管體二極管的導(dǎo)通損耗與反向恢復(fù)損耗,而且簡單完結(jié)初級主開關(guān)管的軟開關(guān)[3]。凌特公司推出的同步整流操控芯片 LTC3900和LTC3901可以更好地運用于正激、推挽及全橋拓撲中。

  ZVS及ZCS同步整流技能也已開始運用,例如有源鉗位正激電路的同步整流驅(qū)動(NCP1560),雙晶體管正激電路的同步整流驅(qū)動芯片LTC1681及LTC1698,但其都未獲得對稱型電路拓樸ZVS/ZCS同步整流的優(yōu)秀作用。

  1.2 建模與仿真

  開關(guān)型改換器首要有小信號與大信號剖析兩種建模辦法。

  小信號剖析法:首要是狀況空間均勻法[4],由美國加里福尼亞理工學(xué)院的R.D.Middlebrook于1976年提出,可以說這是電力電子學(xué)領(lǐng)域建模剖析的榜首個真實含義的嚴(yán)重突破。后來出現(xiàn)的如電流注入等效電路法、等效受控源法(該法由我國學(xué)者張興柱于1986年提出)、三端開關(guān)器材法等,這些均歸于電路均勻法的領(lǐng)域。均勻法的缺陷是顯著的,對信號進行了均勻處理而不能有用地進行紋波剖析;不能精確地進行穩(wěn)定性剖析;對諧振類改換器可能不大合適;要害的一點是,均勻法所得出的模型與開關(guān)頻率無關(guān),且適用條件是電路中的電感電容等發(fā)生的天然頻率有必要要遠低于開關(guān)頻率,精確性才會較高。

  大信號剖析法:有解析法,相平面法,大信號等效電路模型法,開關(guān)信號流法,n次諧波三端口模型法,KBM法及通用均勻法。還有一個是我國華南理工大學(xué)教授丘水生先生于1994年提出的等效小參量信號剖析法[5],不只適用于PWM改換器也適用于諧振類改換器,而且可以進行輸出的紋波剖析。

  建模的意圖是為了仿真,繼而進行穩(wěn)定性剖析。1978年,R.Keller初次運用R.D.Middlebrook的狀況空間均勻理論進行開關(guān)電源的SPICE仿真[6]。近30年來,在開關(guān)電源的均勻SPICE模型的建模方面,許多學(xué)者都建立了各式各樣的模型理論,然后形成了各種SPICE模型。這些模型各有所長,比較有代表性的有:Dr.SamBenYaakov的開關(guān)電感模型;Dr.RayRidley的模型;根據(jù)Dr.VatcheVorperian的Orcad9.1的開關(guān)電源均勻Pspice模型;根據(jù)Steven Sandler的ICAP4的開關(guān)電源均勻Isspice模型;根據(jù)Dr. VincentG.Bello的Cadence的開關(guān)電源均勻模型等等。在運用這些模型的根底上,結(jié)合改換器的首要參數(shù)進行宏模型的構(gòu)建,并運用所建模型構(gòu)成的DC/DC改換器在專業(yè)的電路仿真軟件(Matlab、Pspice等)渠道上進行直流剖析、小信號剖析以及閉環(huán)大信號瞬態(tài)剖析。

  由于改換器的拓撲一日千里,開展速度極快,相應(yīng)地,對改換器建模的要求也越來越嚴(yán)厲。可以說,改換器的建模有必要要趕上改換器拓撲的開展腳步,才能更精確地運用于工程實踐。

  1.3 數(shù)字化操控

  數(shù)字化的簡單運用首要是維護與監(jiān)控電路,以及與體系的通訊,現(xiàn)在已大量地運用于通訊電源體系中。其可以替代許多模仿電路,完結(jié)電源的起動、輸入與輸出的過、欠壓維護、輸出的過流與短路維護,及過熱維護等,經(jīng)過特定的介面電路,也能完結(jié)與體系間的通訊與顯現(xiàn)。

  數(shù)字化的更先進運用包括不光完結(jié)完善的維護與監(jiān)控功用,也能輸出PWM波,經(jīng)過驅(qū)動電路操控功率開關(guān)器材,并完結(jié)閉環(huán)操控功用。現(xiàn)在,TI、ST及Motorola公司等均推出了專用的電機與運動操控DSP芯片,F(xiàn)階段通訊電源的數(shù)字化首要采納模仿與數(shù)字相結(jié)合的方式,PWM部分依然選用專門的模仿芯片,而DSP芯片首要參加占空比操控,和頻率設(shè)置、輸出電壓的調(diào)理及維護與監(jiān)控等功用。

  為了到達更快的動態(tài)呼應(yīng),許多先進的操控辦法已逐漸提出。例如,安森美公司提出改善型V2操控,英特矽爾公司提出Active-droop操控,Semtech公司提出電荷操控,仙童公司提出Valley電流操控,IR公司提出多相操控,而且美國的多所大學(xué)也提出了多種其他的操控思維[7,8,9]。數(shù)字操控可以進步體系的靈活性,供給更好的通訊介面、故障診斷才能、及抗干擾才能。可是,在精細的通訊電源中,操控精度、參數(shù)漂移、電流檢測與均流,及操控推遲等要素將是需求急待解決的實踐問題。

  1.4 磁集成

  跟著開關(guān)頻率的進步,開關(guān)改換器的體積隨之削減,功率密度也得到大幅進步,但開關(guān)損耗將隨之添加,而且將運用更多的磁性器材,因此占有更多的空間。

  國外關(guān)于磁性元件集成技能的研討較為老練,有些廠商已將此技能運用于實踐的通訊電源中。其實磁集成并不是一個新概念,早在20世紀(jì)70年代末,Cuk在提出Cuk改換器時就已提出磁集成的思維。自1995年至今,美國電力電子體系并中心(CPES)對磁性器材集成作了許多的研討作業(yè),運用耦合電感的概念對多相BUCK電感集成做了深入研討[10,11,12],且運用于各種不同類型的改換器中。2002年,香港大學(xué)Yim-Shu Lee等人也提出一系列關(guān)于磁集成技能的討論與規(guī)劃[13,14,15]。

  慣例的磁性元件規(guī)劃辦法極端繁瑣且需求從不同的視點來考慮,如磁心的巨細選擇,材質(zhì)與繞組的斷定,及鐵損和銅損的評價等。可是磁集成技能除此之外,還有必要考慮磁通不平衡的問題,由于磁通分布在鐵心的每一部分其等效總磁通量是不同的,有些部分可能會提早飽滿。因此,磁性器材集成的剖析與研討將會愈加雜亂與困難?墒,其所帶來的高功率密度的優(yōu)勢,必是將來通訊電源的一大開展趨勢。

  1.5 制作工藝

  通訊用高頻開關(guān)電源的制作工藝適當(dāng)雜亂,而且直接影響到電源體系的電氣功用、電磁兼容性及可靠性,而可靠性是通訊電源的首要目標(biāo)。出產(chǎn)制作進程中齊備的檢測手法,完全的工藝監(jiān)控點與防靜電等辦法的選用在很大程度上延續(xù)了產(chǎn)品最佳的規(guī)劃功用,而SMD貼片器材的廣泛運用將可以大大進步焊接的可靠性。歐美國家將從2006年起對電子產(chǎn)品要求無鉛工藝,這將對通訊電源中器材的選用及出產(chǎn)制作進程的操控提出更高、更嚴(yán)厲的要求。

  現(xiàn)在更為吸引的技能是美國電力電子體系中心(CPEC)在近幾年提出的電力電子集成模塊(IPEM)的概念[16],俗稱“積木”。選用先進的封裝技能而下降寄生要素以改善電路中的電壓振鈴 與功率,將驅(qū)動電路與功率器材集成在一起以進步驅(qū)動的速度因此下降開關(guān)損耗。電力電子集成技能不只可以改善瞬態(tài)電壓的調(diào)理,也能改善功率密度與體系的功率?墒,這樣的集成模塊現(xiàn)在存在許多應(yīng)戰(zhàn),首要是被迫與自動器材的集成方式,而且較難到達最佳的熱規(guī)劃。CPEC對電力電子集成技能進行了多年的研討,提出了許多有用的辦法、結(jié)構(gòu)與模型。


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