功率半導(dǎo)體器件機(jī)能

MOS管，它采用“超級(jí)結(jié)”(Super-Junction)結(jié)構(gòu)，故又稱超結(jié)功率MOSFET。全數(shù)字控制是發(fā)展趨勢(shì)，已經(jīng)在很多功率變換設(shè)備中得到應(yīng)用。既管理了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，又進(jìn)步了電源的整體效率。跟著脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)的發(fā)展，PWM開(kāi)關(guān)電源問(wèn)世，它的特點(diǎn)是用20kHz的載波進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，電源的效率可達(dá)65%"70%，而線性電源的效率只有30％"40％。高頻化和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是過(guò)去20年國(guó)際電力電子界研究的熱門之一。此外，還要求開(kāi)關(guān)電源效率要更高，機(jī)能更好，可靠性更高等。應(yīng)用壓電變壓器可使高頻功率變換器實(shí)現(xiàn)輕、小、薄和高功率密度。

系統(tǒng)集成技術(shù)

電源設(shè)備的制造特點(diǎn)長(zhǎng)短尺度件多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、本錢高、可靠性低等，而用戶要求制造廠出產(chǎn)的電源產(chǎn)品更加實(shí)用、可靠性更高、更輕小、本錢更低。

第三個(gè)階段從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊(IPEM)技術(shù)開(kāi)始發(fā)展，它是當(dāng)今國(guó)際電力電子界亟待解決的新題目之一。使開(kāi)關(guān)電源小型化的詳細(xì)辦法有以下幾種。

開(kāi)關(guān)電源的三個(gè)重要發(fā)展階段開(kāi)關(guān)電源經(jīng)歷了三個(gè)重要發(fā)展階段。

第二個(gè)階段自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，高頻化和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，使功率變換器機(jī)能更好、重量更輕、尺寸更小。

全數(shù)字化控制

電源的控制已經(jīng)過(guò)模擬控制，模數(shù)混合控制，進(jìn)入到全數(shù)字控制階段。這一技術(shù)稱為有源功率因數(shù)校正(APFC)，單相APFC海內(nèi)外開(kāi)發(fā)較早，技術(shù)已較成熟；三相APFC的拓?fù)漕愋秃涂刂撇呗怨倘灰呀?jīng)有良多種，但還有待繼承研究發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)電源高功率密度，必需進(jìn)步PWM變換器的工作頻率、從而減小電路中儲(chǔ)能元件的體積重量。

開(kāi)關(guān)電源功率密度

進(jìn)步開(kāi)關(guān)電源的功率密度，使之小型化、輕量化，是人們不斷追求的目標(biāo)。這對(duì)便攜式電子設(shè)備(如移動(dòng)電話，數(shù)字相機(jī)等)尤為重要。這一切高新要求便促進(jìn)了開(kāi)關(guān)電源的不斷發(fā)展和提高。跟著超大規(guī)模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不斷減小，電源的尺寸與微處理器比擬要大得多；而航天、潛艇、軍用開(kāi)關(guān)電源以及用電池的便攜式電子設(shè)備(如手提計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話等)更需要小型化、輕量化的電源。上述特殊性，再加上EMI丈量上的詳細(xì)難題，在電力電子的電磁兼容領(lǐng)域里，存在著很多交叉學(xué)科的前沿課題有待人們研究。壓電變壓器利用壓電陶瓷材料特有的“電壓-振動(dòng)”變換和“振動(dòng)-電壓”變換的性質(zhì)傳送能量，其等效電路如統(tǒng)一個(gè)串并聯(lián)諧振電路，是功率變換領(lǐng)域的研究熱門之一。因此，對(duì)開(kāi)關(guān)電源提出了小型輕量要求，包括磁性元件和電容的體積重量也要小。因此，用工作頻率為20kHz的PWM開(kāi)關(guān)電源替換線性電源，可大幅度節(jié)約能源，從而引起了人們的廣泛關(guān)注，在電源技術(shù)發(fā)展史上被譽(yù)為20kHz革命。

三是采用新型電容器。

二是應(yīng)用壓電變壓器。工作電壓600"800V，通態(tài)電阻幾乎降低了一個(gè)數(shù)目級(jí)，仍保持開(kāi)關(guān)速度快的特點(diǎn)，是一種有發(fā)展前途的高頻功率半導(dǎo)體器件。假如對(duì)輸入端功率因數(shù)要求不特別高時(shí)，將PFC變換器和后級(jí)DC／DC變換器組合成一個(gè)拓?fù)?，?gòu)成單級(jí)高功率因數(shù)AC／DC開(kāi)關(guān)電源，只用一個(gè)主開(kāi)關(guān)管，可使功率因數(shù)校正到0.8以上，并使輸出直流電壓可調(diào)，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稱為單管單級(jí)PFC變換器。合用于兆赫級(jí)頻率的磁性材料為人們所關(guān)注，納米結(jié)晶軟磁材料也已開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

功率因數(shù)校正(PFC)變換器因?yàn)锳C／DC變換電路的輸入端有整流器件和濾波電容，在正弦電壓輸入時(shí)，單相整流電源供電的電子設(shè)備，電網(wǎng)側(cè)(交流輸入端)功率因數(shù)僅為0.6-0.65。同時(shí)，電力電子電路(如開(kāi)關(guān)變換器)內(nèi)部的控制電路也必需能承受開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的EMI及應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)電磁噪聲的干擾。

上世紀(jì)90年代，跟著大規(guī)模分布電源系統(tǒng)的發(fā)展，一體化的設(shè)計(jì)觀念被推廣到更大容量、更高電壓的電源系統(tǒng)集成，進(jìn)步了集成度，泛起了集成電力電子模塊(IPEM)。在此基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)一體化，所有元器件連同控制保護(hù)集成在一個(gè)模塊中。長(zhǎng)處是可快速高效為用戶提供產(chǎn)品，明顯降低本錢，進(jìn)步可靠性。

一是高頻化。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源(以下簡(jiǎn)稱開(kāi)關(guān)電源)問(wèn)世后，在良多領(lǐng)域逐步取代了線性穩(wěn)壓電源和晶閘管相控電源。

全數(shù)字控制的長(zhǎng)處是數(shù)字信號(hào)與混合模數(shù)信號(hào)比擬可以標(biāo)定更小的量，芯片價(jià)格也更低廉；對(duì)電流檢測(cè)誤差可以進(jìn)行精確的數(shù)字校正，電壓檢測(cè)也更精確；可以實(shí)現(xiàn)快速，靈活的控制設(shè)計(jì)。這些情況使電源制造廠家承受巨大壓力，迫切需要開(kāi)展集成電源模塊的研究開(kāi)發(fā)，使電源產(chǎn)品的尺度化、模塊化、可制造性、規(guī)模出產(chǎn)、降低本錢等目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。

可以預(yù)見(jiàn)，碳化硅二極管將是21世紀(jì)最可能成功應(yīng)用的新型功率半導(dǎo)體器件材料。

高頻磁性元件

電源系統(tǒng)中應(yīng)用大量磁元件，高頻磁元件的材料、結(jié)構(gòu)和機(jī)能都不同于工頻磁元件，有很多題目需要研究。

近兩年來(lái)，高機(jī)能全數(shù)字控制芯片已經(jīng)開(kāi)發(fā)，用度也已降到比較公道的水平，歐美已有多家公司開(kāi)發(fā)并制造出開(kāi)關(guān)變換器的數(shù)字控制芯片及軟件。

一般高功率因數(shù)AC／DC開(kāi)關(guān)電源，由兩級(jí)拓?fù)浣M成，對(duì)于小功率AC／DC開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，采用兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總體效率低、本錢高。

電磁兼容性

高頻開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容(EMC)題目有其特殊性。

實(shí)際上，在電源集成技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，已經(jīng)經(jīng)歷了電力半導(dǎo)體器件模塊化，功率與控制電路的集成化，集成無(wú)源元件(包括磁集成技術(shù))等發(fā)展階段。功率半導(dǎo)體器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中所產(chǎn)生的di／dt和dv／dt，將引起強(qiáng)盛的傳導(dǎo)電磁干擾和諧波干擾，以及強(qiáng)電磁場(chǎng)(通常是近場(chǎng))輻射。

IPEM將功率器件與電路、控制以及檢測(cè)、執(zhí)行等單元集成封裝，得到尺度的，可制造的模塊，既可用于尺度設(shè)計(jì)，也可用于專用、特殊設(shè)計(jì)。海內(nèi)外很多大學(xué)均開(kāi)展了電力電子電路的電磁干擾和電磁兼容性題目的研究，并取得了不少可喜成果。早期泛起的是串聯(lián)型開(kāi)關(guān)電源，其主電路拓?fù)渑c線性電源相仿，但MOS管封裝功率晶體管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)。采用功率因數(shù)校正(PFC)變換器，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可進(jìn)步到0.95"0.99，輸入電流THD<10％。
第一個(gè)階段是功率半導(dǎo)體器件從雙極型器件(BPT、SCR、GT0)發(fā)展為MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等)，使電力電子系統(tǒng)有可能實(shí)現(xiàn)高頻化，并大幅度降低導(dǎo)通損耗，電路也更為簡(jiǎn)樸。為了減小電力電子設(shè)備的體積和重量，須想法改進(jìn)電容器的機(jī)能，進(jìn)步能量密度，并研究開(kāi)發(fā)適合于電力電子及電源系統(tǒng)用的新型電容器，要求電容量大、等效串聯(lián)電阻(ESR)小、體積小等。近年來(lái)的發(fā)展方向是將小功率電源系統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上，可以使電源產(chǎn)品更為緊湊，體積更小，也減小了引線長(zhǎng)度，從而減小了寄生參數(shù)。對(duì)高頻磁元件所用的磁性材料，要求其損耗小、散熱機(jī)能好、磁機(jī)能優(yōu)勝。

碳化硅(SiC)是功率半導(dǎo)體器件晶片的理想材料，其長(zhǎng)處是禁帶寬、工作溫度高(可達(dá)600℃)、熱不亂性好、通態(tài)電阻小、導(dǎo)熱機(jī)能好、漏電流極小、PN結(jié)耐壓高等，有利于制造出耐高溫的高頻大功率半導(dǎo)體器件。

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