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功率半导体器件机能

MOS管，它采用(yong)“超级结”(Super-Junction)结构，故(gu)又称超结功率(lv)(lv)MOSFET。全数字控制(zhi)(zhi)是(shi)发展(zhan)(zhan)趋势，已经在(zai)很(hen)多(duo)功率(lv)(lv)变(bian)换设备中得(de)到(dao)应用(yong)。既管(guan)理(li)了对电(dian)(dian)(dian)(dian)网的谐波污(wu)染，又进(jin)步了电(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)的整体效(xiao)率(lv)(lv)。跟着脉宽调(diao)制(zhi)(zhi)(PWM)技(ji)术(shu)的发展(zhan)(zhan)，PWM开关电(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)问世(shi)，它的特(te)点(dian)是(shi)用(yong)20kHz的载波进(jin)行脉冲宽度调(diao)制(zhi)(zhi)，电(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)的效(xiao)率(lv)(lv)可(ke)(ke)达65%"70%，而线性电(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)的效(xiao)率(lv)(lv)只有30％"40％。高频化和(he)软开关技(ji)术(shu)是(shi)过去20年国际(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)力电(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)界(jie)研究的热门之一。此(ci)外，还要求开关电(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)效(xiao)率(lv)(lv)要更高，机能(neng)更好，可(ke)(ke)靠(kao)性更高等。应用(yong)压(ya)电(dian)(dian)(dian)(dian)变(bian)压(ya)器(qi)(qi)可(ke)(ke)使高频功率(lv)(lv)变(bian)换器(qi)(qi)实现(xian)轻、小(xiao)、薄和(he)高功率(lv)(lv)密(mi)度。

系统集成技术

电源(yuan)设(she)备的制造(zao)特点长短尺度件多、劳动(dong)强度大、设(she)计周(zhou)期长、本(ben)钱高、可靠(kao)性(xing)低等(deng)，而用(yong)户要求制造(zao)厂出产的电源(yuan)产品更加(jia)实用(yong)、可靠(kao)性(xing)更高、更轻(qing)小、本(ben)钱更低。

第三个(ge)阶段从20世纪90年代(dai)中期开始，集成电(dian)(dian)(dian)力电(dian)(dian)(dian)子(zi)系统和集成电(dian)(dian)(dian)力电(dian)(dian)(dian)子(zi)模块(kuai)(IPEM)技术(shu)开始发(fa)展，它是当今国际电(dian)(dian)(dian)力电(dian)(dian)(dian)子(zi)界亟(ji)待解决的(de)新(xin)题目之(zhi)一。使开关电(dian)(dian)(dian)源小型(xing)化的(de)详细办法有以下几种。

开关电(dian)源的三(san)个重要(yao)发展(zhan)阶段(duan)(duan)开关电源经(jing)历(li)了三(san)个重要(yao)发展(zhan)阶段(duan)(duan)。

第二个(ge)阶段(duan)自20世纪80年代开(kai)(kai)始，高频(pin)化和软开(kai)(kai)关(guan)技术的研究开(kai)(kai)发，使功率变换器机能更(geng)好(hao)、重量更(geng)轻、尺寸(cun)更(geng)小。

全数(shu)字(zi)化控制

电源(yuan)的(de)控(kong)(kong)(kong)制已(yi)(yi)经(jing)过模(mo)拟(ni)控(kong)(kong)(kong)制，模(mo)数(shu)混合控(kong)(kong)(kong)制，进入到(dao)全数(shu)字控(kong)(kong)(kong)制阶(jie)段。这一技术称为有源(yuan)功率因(yin)数(shu)校(xiao)正(APFC)，单相(xiang)APFC海内外开发较早(zao)，技术已(yi)(yi)较成熟；三相(xiang)APFC的(de)拓扑(pu)类型和控(kong)(kong)(kong)制策略固然(ran)已(yi)(yi)经(jing)有良多种，但(dan)还(hai)有待继承研究发展。为了实现电源(yuan)高功率密度，必需进步PWM变换器的(de)工(gong)作频率、从而(er)减小电路中储能(neng)元件的(de)体积重量。

开关电源功(gong)率密度

进(jin)步开(kai)关(guan)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)功率(lv)密度，使之小(xiao)型(xing)化(hua)、轻量(liang)化(hua)，是人们不断(duan)追求的(de)(de)(de)(de)(de)(de)目标。这(zhei)对便(bian)携式电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子设备(如移动(dong)(dong)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)话，数字相(xiang)机(ji)等)尤为(wei)重要(yao)(yao)(yao)。这(zhei)一切高(gao)新要(yao)(yao)(yao)求便(bian)促进(jin)了开(kai)关(guan)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)不断(duan)发展(zhan)和(he)提高(gao)。跟着超大(da)规(gui)模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片(pian)尺寸的(de)(de)(de)(de)(de)(de)不断(duan)减小(xiao)，电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)尺寸与微处理器比拟要(yao)(yao)(yao)大(da)得多(duo)；而航天、潜艇、军用(yong)开(kai)关(guan)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)以(yi)及用(yong)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)便(bian)携式电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子设备(如手(shou)提计算机(ji)、移动(dong)(dong)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)话等)更需要(yao)(yao)(yao)小(xiao)型(xing)化(hua)、轻量(liang)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)。上述特殊性(xing)，再(zai)加上EMI丈量(liang)上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)详细难题，在(zai)(zai)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)力(li)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子的(de)(de)(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)磁(ci)(ci)兼容领域(yu)里，存在(zai)(zai)着很多(duo)交(jiao)叉学科的(de)(de)(de)(de)(de)(de)前(qian)沿课题有待人们研究(jiu)。压电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)变(bian)压器利用(yong)压电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)陶瓷材料特有的(de)(de)(de)(de)(de)(de)“电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压-振动(dong)(dong)”变(bian)换(huan)和(he)“振动(dong)(dong)-电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压”变(bian)换(huan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)性(xing)质传送能量(liang)，其等效(xiao)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路如统一个串并(bing)联谐振电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路，是功率(lv)变(bian)换(huan)领域(yu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研究(jiu)热(re)门之一。因此(ci)，对开(kai)关(guan)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)提出了小(xiao)型(xing)轻量(liang)要(yao)(yao)(yao)求，包括磁(ci)(ci)性(xing)元件(jian)和(he)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容的(de)(de)(de)(de)(de)(de)体积(ji)重量(liang)也要(yao)(yao)(yao)小(xiao)。因此(ci)，用(yong)工作(zuo)频率(lv)为(wei)20kHz的(de)(de)(de)(de)(de)(de)PWM开(kai)关(guan)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)替(ti)换(huan)线性(xing)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)，可大(da)幅度节(jie)约能源(yuan)(yuan)，从而引起了人们的(de)(de)(de)(de)(de)(de)广泛关(guan)注，在(zai)(zai)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)技(ji)术发展(zhan)史上被誉(yu)为(wei)20kHz革(ge)命。

三是采用新型(xing)电容器。

二是应用(yong)压(ya)电变(bian)压(ya)器(qi)。工作电压(ya)600"800V，通态电阻几乎(hu)降(jiang)低了一(yi)个(ge)数目级，仍保持开(kai)(kai)关速(su)度快的(de)特点，是一(yi)种有发展前途的(de)高(gao)频功(gong)率半导体器(qi)件。假如对输(shu)入端(duan)功(gong)率因(yin)数要(yao)求不(bu)特别高(gao)时，将(jiang)PFC变(bian)换器(qi)和(he)后级DC／DC变(bian)换器(qi)组(zu)合(he)成(cheng)一(yi)个(ge)拓扑，构成(cheng)单级高(gao)功(gong)率因(yin)数AC／DC开(kai)(kai)关电源，只用(yong)一(yi)个(ge)主(zhu)开(kai)(kai)关管(guan)，可(ke)使(shi)(shi)功(gong)率因(yin)数校正到0.8以(yi)上，并使(shi)(shi)输(shu)出直流电压(ya)可(ke)调(diao)，这种拓扑结构称为(wei)单管(guan)单级PFC变(bian)换器(qi)。合(he)用(yong)于兆(zhao)赫级频率的(de)磁性(xing)材料(liao)为(wei)人(ren)们(men)所关注，纳(na)米结晶软(ruan)磁材料(liao)也已(yi)开(kai)(kai)发应用(yong)。

 功率因数校正(zheng)(PFC)变(bian)换器(qi)因为AC／DC变(bian)换电(dian)路的(de)输(shu)(shu)入端有整流(liu)器(qi)件和滤波电(dian)容(rong)，在正(zheng)弦电(dian)压输(shu)(shu)入时，单相整流(liu)电(dian)源供(gong)电(dian)的(de)电(dian)子设备(bei)，电(dian)网侧(交流(liu)输(shu)(shu)入端)功率因数仅为0.6-0.65。同时，电(dian)力电(dian)子电(dian)路(如(ru)开(kai)关变(bian)换器(qi))内部的(de)控(kong)制电(dian)路也必需能承(cheng)受开(kai)关动作产(chan)生(sheng)的(de)EMI及应用现场电(dian)磁噪声的(de)干扰。

上世纪90年代，跟着(zhe)大规模分(fen)布电源(yuan)系统的(de)发展，一(yi)体(ti)化的(de)设计(ji)观念被推广到更大容量、更高电压(ya)的(de)电源(yuan)系统集(ji)成(cheng)，进步了集(ji)成(cheng)度，泛起了集(ji)成(cheng)电力电子模块(IPEM)。在(zai)此基础(chu)上，可以实现一(yi)体(ti)化，所有元器(qi)件连同控(kong)制保护集(ji)成(cheng)在(zai)一(yi)个模块中。长处是可快速高效为用(yong)户提供产(chan)品，明(ming)显(xian)降低本(ben)钱，进步可靠性。

一是(shi)高频化。开关稳(wen)压电(dian)源(以下简称开关电(dian)源)问世后，在良多领域逐(zhu)步(bu)取代了线性(xing)稳(wen)压电(dian)源和晶(jing)闸管(guan)相控电(dian)源。

全数(shu)字控制(zhi)(zhi)(zhi)的(de)(de)长处是数(shu)字信号与混合模数(shu)信号比拟可(ke)以(yi)(yi)标定更(geng)小的(de)(de)量，芯片(pian)价格(ge)也更(geng)低廉；对电(dian)(dian)流检(jian)测误差(cha)可(ke)以(yi)(yi)进行精(jing)确的(de)(de)数(shu)字校(xiao)正，电(dian)(dian)压检(jian)测也更(geng)精(jing)确；可(ke)以(yi)(yi)实现快速，灵活(huo)的(de)(de)控制(zhi)(zhi)(zhi)设(she)计。这些(xie)情况使(shi)电(dian)(dian)源(yuan)制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)厂家承(cheng)受巨大压力，迫切(qie)需要开(kai)展集成电(dian)(dian)源(yuan)模块的(de)(de)研究开(kai)发，使(shi)电(dian)(dian)源(yuan)产品的(de)(de)尺度化、模块化、可(ke)制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)性、规模出产、降低本(ben)钱等目标得以(yi)(yi)实现。

可以预见，碳化硅二极管将是(shi)21世纪最(zui)可能(neng)成(cheng)功应(ying)用的新型功率半(ban)导体器件材料。

高频(pin)磁(ci)性元件

电源(yuan)系(xi)统中应用大(da)量磁(ci)元(yuan)件(jian)，高频(pin)(pin)磁(ci)元(yuan)件(jian)的材(cai)料、结构和机能都不同于工频(pin)(pin)磁(ci)元(yuan)件(jian)，有很(hen)多题目(mu)需(xu)要(yao)研究。

近两年来，高机能(neng)全数字控(kong)制芯片(pian)已经开发(fa)(fa)，用度也已降到比较公道(dao)的水平，欧(ou)美已有多家公司开发(fa)(fa)并制造出开关变换器的数字控(kong)制芯片(pian)及软件。

一般(ban)高功率因数AC／DC开(kai)关(guan)电源，由两级拓扑(pu)组(zu)成，对(dui)于小功率AC／DC开(kai)关(guan)电源来说，采用两级拓扑(pu)结(jie)构总体效率低、本钱(qian)高。

电磁兼容性

高频开关电源的电磁兼(jian)容(EMC)题目有(you)其特殊性(xing)。

实际上，在(zai)电(dian)源(yuan)集(ji)成技术的发展(zhan)进程中，已(yi)经经历了电(dian)力半(ban)导(dao)体器(qi)件模块化(hua)，功(gong)率与控制电(dian)路的集(ji)成化(hua)，集(ji)成无源(yuan)元件(包括磁集(ji)成技术)等发展(zhan)阶段。功(gong)率半(ban)导(dao)体器(qi)件在(zai)开关过程中所产生的di／dt和(he)dv／dt，将引(yin)起(qi)强盛的传导(dao)电(dian)磁干(gan)扰(rao)和(he)谐(xie)波干(gan)扰(rao)，以及强电(dian)磁场(通常(chang)是近(jin)场)辐(fu)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(cong)双极(ji)型器件(BPT、SCR、GT0)发展(zhan)(zhan)为(wei)MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等)，使电(dian)力电(dian)子系(xi)(xi)统(tong)(tong)有可能(neng)(neng)实现高频化，并大幅度降低导通损耗(hao)(hao)，电(dian)路也更为(wei)简朴(po)。为(wei)了减(jian)小(xiao)电(dian)力电(dian)子设(she)备的(de)(de)体(ti)(ti)积和重(zhong)量(liang)，须想法改(gai)进电(dian)容器的(de)(de)机能(neng)(neng)，进步能(neng)(neng)量(liang)密度，并研(yan)究(jiu)开发适合于电(dian)力电(dian)子及电(dian)源(yuan)系(xi)(xi)统(tong)(tong)用(yong)的(de)(de)新型电(dian)容器，要(yao)求电(dian)容量(liang)大、等效串联电(dian)阻(ESR)小(xiao)、体(ti)(ti)积小(xiao)等。近年来(lai)的(de)(de)发展(zhan)(zhan)方向是(shi)将小(xiao)功率电(dian)源(yuan)系(xi)(xi)统(tong)(tong)集成(cheng)在(zai)一个(ge)芯片上(shang)，可以使电(dian)源(yuan)产品更为(wei)紧凑，体(ti)(ti)积更小(xiao)，也减(jian)小(xiao)了引线长度，从(cong)而减(jian)小(xiao)了寄生参数(shu)。对(dui)高频磁(ci)(ci)元件所用(yong)的(de)(de)磁(ci)(ci)性材料，要(yao)求其损耗(hao)(hao)小(xiao)、散热机能(neng)(neng)好(hao)、磁(ci)(ci)机能(neng)(neng)优胜。

碳化(hua)硅(SiC)是(shi)功率(lv)半(ban)导体器件晶片(pian)的(de)理(li)想(xiang)材料(liao)，其长(zhang)处是(shi)禁带宽、工作温度高(gao)(gao)(可(ke)达600℃)、热不乱性好、通(tong)态电阻小、导热机能(neng)好、漏电流(liu)极(ji)小、PN结耐(nai)压高(gao)(gao)等，有利于制造出耐(nai)高(gao)(gao)温的(de)高(gao)(gao)频大功率(lv)半(ban)导体器件。

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