自上世紀(jì)80年代開(kāi)始，高頻化和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究，使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。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點(diǎn)之一。 在未來(lái)五年中開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向?qū)⑾蛑趺礃拥能壍佬旭倳r(shí)開(kāi)拓行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。
IGBT剛出現(xiàn)時(shí)，電壓、電流額定值只有600V、25A。很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，耐壓水平限于1200V～1700V，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的探索研究和改進(jìn)，現(xiàn)在IGBT的電壓、電流額定值已分別達(dá)到3300V/1200A和4500V/1800A，高壓IGBT單片耐壓已達(dá)到6500V，一般IGBT的工作頻率上限為20kHz～40kHz，基于穿通(PT)型結(jié)構(gòu)應(yīng)用新技術(shù)制造的IGBT，可工作于150kHz(硬開(kāi)關(guān))和300kHz(軟開(kāi)關(guān))。GBT的技術(shù)進(jìn)展實(shí)際上是通態(tài)壓降，快速開(kāi)關(guān)和高耐壓能力三者的折中。隨著工藝和結(jié)構(gòu)形式的不同，IGBT在20年歷史發(fā)展進(jìn)程中，有以下幾種類(lèi)型：穿通(PT)型、非穿通(NPT)型、軟穿通(SPT)型、溝漕型和電場(chǎng)截止(FS)型。碳化硅SiC是功率半導(dǎo)體器件晶片的理想材料，其優(yōu)點(diǎn)是：禁帶寬、工作溫度高(可達(dá)600℃)、熱穩(wěn)定性好、通態(tài)電阻小、導(dǎo)熱性能好、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。
提高開(kāi)關(guān)電源的功率密度，使之小型化、輕量化，是人們不斷努力追求的目標(biāo)。電源的高頻化是國(guó)際電力電子界研究的熱點(diǎn)之一。電源的小型化、減輕重量對(duì)便攜式電子設(shè)備(如移動(dòng)電話(huà)，數(shù)字相機(jī)等)尤為重要。使開(kāi)關(guān)電源小型化的具體辦法有：一是應(yīng)用壓電變壓器。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。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，其等效電路如同一個(gè)串并聯(lián)諧振電路，是功率變換領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。二是高頻化。為了實(shí)現(xiàn)電源高功率密度，必須提高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。
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)和性能都不同于工頻磁元件，有許多問(wèn)題需要研究。對(duì)高頻磁元件所用磁性材料有如下要求：損耗小，散熱性能好，磁性能優(yōu)越。適用于兆赫級(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。對(duì)于低電壓、大電流輸出的軟開(kāi)關(guān)變換器，進(jìn)一步提高其效率的措施是設(shè)法降低開(kāi)關(guān)的通態(tài)損耗。例如同步整流SR技術(shù)，即以功率MOS管反接作為整流用開(kāi)關(guān)二極管，代替蕭特基二極管(SBD)，可降低管壓降，從而提高電路效率。
分布電源系統(tǒng)適合于用作超高速集成電路組成的大型工作站(如圖像處理站)、大型數(shù)字電子交換系統(tǒng)等的電源，其優(yōu)點(diǎn)是：可實(shí)現(xiàn)DC/DC變換器組件模塊化；容易實(shí)現(xiàn)N+1功率冗余，易于擴(kuò)增負(fù)載容量；可降低48V母線(xiàn)上的電流和電壓降；容易做到熱分布均勻、便于散熱設(shè)計(jì)；瞬態(tài)響應(yīng)好；可在線(xiàn)更換失效模塊等。現(xiàn)在分布電源系統(tǒng)有兩種結(jié)構(gòu)類(lèi)型，一是兩級(jí)結(jié)構(gòu)，另一種是三級(jí)結(jié)構(gòu)。
由于A(yíng)C/DC變換電路的輸入端有整流元件和濾波電容，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。采用PFC(功率因數(shù)校正)變換器，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可提高到0.95～0.99，輸入電流THD小于10%。既治理了電網(wǎng)的諧波污染，又提高了電源的整體效率。這一技術(shù)稱(chēng)為有源功率因數(shù)校正APFC單相APFC國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)較早，技術(shù)已較成熟；三相APFC的拓?fù)漕?lèi)型和控制策略雖然已經(jīng)有很多種，但還有待繼續(xù)研究發(fā)展。
電源技術(shù)的發(fā)展
電源的控制已經(jīng)由模擬控制，模數(shù)混合控制，進(jìn)入到全數(shù)字控制階段。全數(shù)字控制是一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)，已經(jīng)在許多功率變換設(shè)備中得到應(yīng)用。但是過(guò)去數(shù)字控制在DC/DC變換器中用得較少。近兩年來(lái)，電源的高性能全數(shù)字控制芯片已經(jīng)開(kāi)發(fā)，費(fèi)用也已降到比較合理的水平，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。全數(shù)字控制的優(yōu)點(diǎn)是：數(shù)字信號(hào)與混合模數(shù)信號(hào)相比可以標(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**的數(shù)字校正，電壓檢測(cè)也更**；可以實(shí)現(xiàn)快速，靈活的控制設(shè)計(jì)。
建模、仿真和CAD是一種新的設(shè)計(jì)工具。為仿真電源系統(tǒng)，首先要建立仿真模型，包括電力電子器件、變換器電路、數(shù)字和模擬控制電路以及磁元件和磁場(chǎng)分布模型等，還要考慮開(kāi)關(guān)管的熱模型、可*性模型和EMC模型。各種模型差別很大，建模的發(fā)展方向是：數(shù)字-模擬混合建模、混合層次建模以及將各種模型組成一個(gè)統(tǒng)一的多層次模型等。
電源系統(tǒng)的CAD，包括主電路和控制電路設(shè)計(jì)、器件選擇、參數(shù)*優(yōu)化、磁設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、EMI設(shè)計(jì)和印制電路板設(shè)計(jì)、可*性預(yù)估、計(jì)算機(jī)輔助綜合和優(yōu)化設(shè)計(jì)等。用基于仿真的專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行電源系統(tǒng)的CAD，可使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能*優(yōu)，減少設(shè)計(jì)制造費(fèi)用，并能做可制造性分析，是21世紀(jì)仿真和CAD技術(shù)的發(fā)展方向之一。此外，電源系統(tǒng)的熱測(cè)試、EMI測(cè)試、可*性測(cè)試等技術(shù)的開(kāi)發(fā)、研究與應(yīng)用也是應(yīng)大力發(fā)展的。
