一、新型功率半导体器件
20世纪90年代,功率半导体器件有许多新的进展,主要有以下几方面。
1. 功率MOSFET和IGBT已完全可代替功率晶体管(GTR)和中小电流的晶闸管,使实现开关电源高频化有了可能。超快恢复功率二极管和MOSFET同步整流技术的开发,也为研制高效率或低电压输出的开关电源创造了条件。
2. 功率半异体器件的水平超过预测,电压、电流额定值分别达到:IGBT-3300V,1200A和2500V,1800A;Power MOSFET-500V,240A;GCT(Gate Commutated Turn-off Thyristor)---4.5kV,4kA,可望取代GTO;二极管---5000V,4000A。
3. 功率半异体器件的晶片理想材料是碳化硅(SiC),已做出25mm,40mm晶片,并试制出一批SiC器件样品,如肖特基二极管---1750V,70mA,正向压降VF = 1.3V;功率MOSFET---750V,15mA,R∞ =66mΩ·cm2;晶闸管---950V,6A,通态压降3.67V。但SiC器件要达到实用化的要求,还需要一定时间,价格要进一步下降,如小于100美元/片。
4. 20世纪80年代,将功率器件与驱动、智能控制、保护、逻辑电路等集成封装,称为智能功率模块(PIM)或智能功率集成电路(Smart Power IC)。它与VLSI的区别是,IPM工作电压高,可达15V,环境温度可达+125℃。
20世纪90年代,大规模颁布电源系统的发展将IPM的设计观念推广到更大容量、更高电压的集成电力电子电路,并提高了集成度,称为集成电力电子模块(IPEM)。它将功率器件与电路、控制,以及检测、执行等元器件集成封装,得到标准的、可制造的模块,既可用于标准设计,也可用于专用、特殊设计。优点是可快速高效为用户提供产品,显著降低成本,提高可靠性。
进入21世纪,功率半导体器件的商业化水平已经很高,IGBT容量已达4500A/1700V,能够耗散15kW功率;IPM智能功率模块7单元150A、1200V已经流通多年。功率MOSFET、快恢复二极管、整流桥、驱动IC等都不可同日而语。这些开关电源基础器件的长足进步,为开关电源的发展提供了重要的物质保证。
二、软开关技术
PWM开关电源按硬开关模式工作,开关过程中,开关器件的电压和电流波形有交叠,因而开关损耗大。PWM开关电源高频化可以缩小体积和质量,但频率越高,开关损耗越大。为此必须研究开关电压和电流波形不交叠的技术,即所谓零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)技术,又称软开关技术(相对于PWM硬开关技术而言)。
20世纪90年代中期,30A/48V开关变换器采用移相全桥ZCS-PWM技术后,质量为7kg,比用PWM技术的同类产品下降40% 。软开关技术的开发和应用提高了开关电源的效率,据说,最近国外小功率DC-DC开关电源模块(48V/12V)总效率可达96%,48V/5V产品可达92%-93% 。20世纪末,国产的通信用50-100A输出、全桥移相ZVZCS-PWM开关电源模块的效率超过93% 。
1994年2月,IEEE电力电子学会组织“功率变换技术2000年展望专题研讨会”,就DC-DC及AC-DC功率变换器的发展趋势需要进行探讨。会议指出,“高功率密度DC-DC零电压开关变换器”与开关器件性能、无源元器件性能、封装技术等有很大关系。并预测,与1994年对比,到2000年,在保证可靠性增加一倍的基础上,功率变换器成本将降低一半,功率密度可提高一倍。现在,开关变换产品已超过这一目标。
三、控制技术
由于开关变换器的强非线性,以及它具有的离散和变结构的特点,负载性质也是多变的,主电路的性能必须满足负载大范围的变化,所有这些使开关变换器的控制问题和控制器的设计较为复杂。一些新的控制方法,如自适应、模糊控制、神经网络控制及各种调制策略在开关电源中的应用,已引起人们的注意。
电流型控制及多环控制(multi-loop control)已在开关电源中得到较广泛的应用;电荷控制(charge control)、一周期控制(one cycle control)、H∞控制、DSP控制等技术的开发及相应专用集成控制芯片的研制,使开关电源动态性能有很大提高,电路也大幅度简化。
四、有源功率因数校正技术
由于输入端有整流元件和滤波电容,一大类整流电源供电的电子设备,其电网侧(输入端)功率因数仅为0.65,而用有源功率因数校正技术(简称APFC)可提高到0.95-0.99,既治理了电网的谐波“污染”,又提高了电源的整体效率。单相APFC国外开发较早,技术已较成熟;三相APFC由则类型较多,还有告待发展。
国内通信电源专业工厂已将有源功率因数校正技术应用于输出6KW、100A的一次电源中,输入端功率因数可达0.92-0.93。