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高频模块电源中运用的新材料和新技术

日期:2016年9月10日 11:17

长期以来由于在通信设备电源设计中广泛采用分布供电方式,小功率模块电源(200w以下)一直占据着模块电源的主导地位,然而随着设备功能不断升级,局部集中供电方式因成本较低又被重新提起,在这种形势下,大功率(>200W)、目前国内市场上电源模块可以做到2000W左右的厂家国内也不多,客户在选型时看一个模块电源厂家最大能做多大功率的电源也是衡量一个厂家的技术实力的标准之一,国内能从小功率到超大功率的厂家有朝阳电源、承力电源、北京铭电龙等一些厂家。这些高密度、高可靠性的模块电源正越来越多地得到广泛应用,和以往的体积笨重、性能一般的大功率模块电源相比,以半砖、全砖封装形式以及现在各大专业厂家做的各自尺寸的便装电源、CPCI电源等封装方式的高功率密度模块电源,有以下几方面的特点:国际流行的工业标准封装,产品兼容性更广;同等功率体积重量大大缩小,只有传统产品的四分之一;技术指标有重大改善效率也大大提高;优异的热设计带来更低的温升更高的可靠性。那么,这些特点是如何实现的呢?要想提高电源产品的功率密度,无非三个方面:其一是采用先进的电路拓朴和转换技术,实现大功率低损耗;其二是减小各部件体积并利用紧凑型工艺结构;其三是改进热设计,使高功率密度条件下达成散热平衡成为可能。

低损耗转换技术

大功率模块电源的损耗主要有四部分:高频开关损耗、高频变压器损耗、整流损耗和线路传导损耗。尤其在低压大电流输出应用中,后两项占有较大比重,特别是整流损耗约占总损耗的一半,因此降低损耗就要考虑在这些环节上采用新的器件和电路技术。采用先进的同步整流技术代替普通二极管整流技术传统的整流方案为二极管整流,低压条件下一般是肖特基二极管,和其他二极管整流器件相比,它具有开关速度快,正向压降小的特点,但是正向压降也有0.5~0.6V,且反向漏电流较大,同步整流技术采用低导通电阻,低耐压的场效应管(MOSFET)代替普通二极管整流,由于同步整流MOsFET具有导通电阻低(一般只有几个m Q)、阻断时漏电流小、开关频率高的特点,因而可以大大减小整流部分的开关损耗,系统效率明显提高。

采用软开关架构,减小开关损耗。

提高可靠性一般的PWM方式开关均为硬开关,开关过程dv/dt和di/dt都比较大,因而开关损耗大、冲击大,开关管结温高、寿命短,采用zVS(零电压方式)和zcS(零电流方式)开关架构可以使开关过程更加平滑,损耗和冲击更小,因而可以降低开关管结温从而大大提高其工作寿命,另外高频开关本身也是模块电源中一个主要的噪声源,大的dv/dt和di/dt都会在输入输出的信号频谱上有所反映,采用软开关技术后,dv/dt和di/dt大大减小,系统本身也获得了较好的电磁兼容性(EMC)。

合理的变压器材料选用和工艺结构设计

变压器损耗也是模块电源损耗的重要部分,它主要包括两部分:铁损和铜损。铁损指的是变压器材料、形状、工艺结构有关的高频转换损耗,铜损指的是绕组线路传导损耗,为了减小铁损,应选择高频特性好、转换损耗小、形状合理、结构紧凑的磁芯材料,在后面部分我们要提到,为了减小模块电源的体积,开关频率要提高到500kHz左右,在这样高的开关频率下,一般的磁芯材料损耗大得可能都无法工作,很容易过热饱和,因此必须选择性能优良的高频磁芯材料。除了磁材以外,绕组设计也很重要,不仅对铜损有影响,而且关系到绕组间的耦合,对铁损也有一定影响,这些内容在后面的平面变压器部分还会介绍。电路合理布局,减小传导损耗

大功率模块电源特别是大电流输出模块电源,电路传导损耗也不容忽视,必须引起足够重视,在电路布局和走线方面,应充分考虑大电流输出的需要,尽量减小线路传导阻抗,从而减小该部分损耗,具体而言就是综合考虑,尽量减小输出大电流回路的距离,并适当增大线路截面积。

减小模块电源体积

影响模块电源体积的主要是几个因素,一是磁性部件形状和大小,二是所有元器件数目多少,三是工艺结构布局。提高开关频率,减小磁性部件尺寸。尽量简化电路设计,工艺结构布局合理化,改进热设计。功率元件采用表面贴装技术。

综上所述:正是现在高频模块电源运用了大量的新材料和新技术,才使现在市场上大功率模块电源等到广泛应用。使模块电源的运用迎来了一个新的里程碑。

 

 

 

 

 

 

 


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