(五)高频化
为了缩小开关电源的体积,提高电源的功率密度并改善其动态响应,小功率dc-dc变换器的开关频率已将现在的200~500khz提高到1mhz以上,但高频化又会产生新的问题,如开关损耗以及无源元件的损耗增大,高频寄生参数以及高频电磁干扰增大等。
四、一流电源产品离不开先进的元器件及先进的工艺
(一)功率器件的发展是电源技术发展的基础
功率mosfet是目前最快速度的功率器件。目前较先进的水平为:电压可达1200v,电流可达60a,频率可达2m
hz,导通电阻可达约0.1ω。提高器件耐压,同时减小其导通电阻仍是今后mosfet的主要研究方向。
绝缘栅双极型晶体管igbt是由mosfet和双极型晶体管复合而成的电力电子器件,它的控制极为绝缘栅控场效应晶体管,输出极为pnp双极功率晶体管,因而具有两者的优点,克服了两者的缺点。目前耐压可达6.5kv,电流可达1.2ka,今后的主攻方向仍是扩大容量,减小内阻,以减小导通损耗。这里提及的是,由于igbt经常工作在高频、高压、大电流状态下,又由于电源作为系统的前级,易受电网波动、雷击影响,容易损坏;,故igbt的可靠性直接影响电源的可靠性,所以在选择igbt时,除作降额考虑外,对igbt的保护设计也极为重要。
igct是gto的更新换代产品,它主要是通过分布集成门极驱动,浅层发射极等技术。器件的开关速度有一定提高,同时减少了门极驱动的功率,方便了应用,而igct的发展趋势仍然是高电压、大容量。
(二)变压器与磁性元件
随着电力电子技术的发展和成熟,人们逐渐认识到磁性元件不仅是电源中的功能元件,同时其体积、重量、损耗在整机中也占相当比例。据统计,磁件的重量一般是变换器总重量的30%~40%,体积占总体积的20%~30%,对于高频工作,模块化设计的电源,磁件体积、重量所占的比例还会更高。另外,磁件还是影响电源输出动态性能和输出纹波的一个重要因素。因此,要提高电源的功率密度、效率和输出品质,就应对减小磁件体积、重量及损耗的相关技术进行深入研究,并立足于应用,以满足电源发展的需要。
对于低、中频电源,建议采用r型变压器,其特点是:损耗低、体积小、无噪声、抗干扰能力强。目前发展状况是单相功率范围已扩展到1va~100kva,三相功率范围已扩展到315kva。未来主攻的方向是设法克服应用中冲击电流比较大的缺点(即变压器次级开路,初级加额定电压时的瞬间,初级所形成的冲击电流)。
对于高频变压器,主要用于各种形式的开关电源,频率为20~500khz,功率可做到数十千瓦。所用材料主要是非晶、微晶、超微晶、软磁铁氧体材料,当变压器工作频率大于700khz时,变压器中的涡流损耗急剧增加,约占总损耗的80%,为减小其损耗,必须在功率铁氧体材料中加纳米添加剂,从而出现了用纳米晶软磁合金和纳米晶磁材制成的各种变压器。当前比较好的有日本tdk公司、fdk公司所提供的高频磁芯和德国vac公司所推出的超微晶磁材,这种磁材具有非常高的初始导磁率,一般高达几万,而材料所使用的频率均为300khz~1mhz,中心频率为500khz。