电源技术的进展与电源管理的应用

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  一、引言

  电能是目前人类生产和生活中最重要的一种能源形式。合理、高效、精确和方便地利用电能仍然是人类所面临的重大问题。采用电力电子技术的电源装置给电能的利用带来了革命。在世界范围内,用电总量中经过电力电子装置变换和调节的比例已经成为衡量用电水平的重要指标,目前全球范围内该指标的平均数为40%,据美国国家电力科学研究院预测,到2010年将达到80%。这对电源技术提出了新的挑战。

  上世纪80年代,提出了电源制造中电力电子集成概念,明确了集成化是电力电子技术未来发展的方向,是解决电力电子技术发展面临障碍的最有希望的出路。电源集成电路逐步成为功率半导体器件中的主导器件,把电源技术推向了电源管理的新时代。电源管理集成电路分成电压调整器和接口电路两方面。正是因为这么多的集成电路(IC)进入电源领域,人们才更多地以电源管理来称呼现阶段的电源技术。

  二、电源技术的进展

  电源技术是一种应用功率半导体器件,综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术。随着科学技术的发展,电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。它对现代通讯、电子仪器、计算化、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源起着关键的作用。

  上世纪40年代晶体管问世,随后不到十年,晶闸管在晶体管渐趋成熟的基础上问世,从而揭开了电源技术长足发展序幕。半个世纪以来,电源技术的发展不断创新。

  1、高频变换是电源技术发展的主流

  电源技术的精髓是电能变换。利用电能变换技术,将市电或电池等一次电源变换成适合各种用电对象的二次电源。开关电源在电源技术中占有重要地位,从20kHz发展到高稳定度、大容量、小体积、开关频率达兆赫兹的高频开关电源,为高频变换提供了物质基础,促进了电源技术的发展。高频化带来的最直接的好处是降低原材料消耗,电源装置小型化,提高功率密度,加快系统的功态响应,进一步提高电源装置的效率,有效抑制环境噪声污染,并使电源进入更广泛的领域,特别是高新技术领域,进一步扩展了它的应用范围。

  2、新理论、新技术的指导

  单管降压、升压电路、谐振变换、移相谐振、软开关PWM、零过渡PWM等电路拓扑理论;计算机辅助设计(CAD)、功率因数校正、有源箍位、并联均流、同步整流、高速编程、  遥感遥控、微机监控等新技术,指导厂电源技术的发展。

  3、新器件、新材料的支撑

  晶闸管(SCR)、可关断晶闸管(GTO)、大功率晶体管(GTR)、绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)、功率场效应晶体管(MOSFET)、智能ICBT(IPM)、MOS栅控晶闸管(MCT)、静电感应晶体管(SIT)、超快恢复二极管、无感电容器、无感电阻器、新型铁氧体、非晶和微晶软磁合金、纳米晶软磁合金等元器件,装备厂现代电源技术、促进电源产品升级换代。并正在研究开发砷化镓(GaAs)、半导体金刚石、碳化硅(SiC)半导体材料。

  4、控制的智能化

  控制电路、驱动电路、保护电路采用集成组件。数字信号处理器的采用,实现控制全数字化。控制手段用单片机组成的软件控制方式,达到了较高的智能化程度,并且进一步提高电源装置的可靠性。

  5、电源电路的模块化、集成化

  单片电源和模块电源取代整机电源,功率集成技术简化了电源的结构,已经在通讯、电力获得广泛应用,并且派生出新的供电体制――分布式供电,使集中供电单一体制走向多元化。电路集成的进一步发展是做系统集成,将信息传输、控制与功率半导体器件全部集成在一起,增加了可靠性。     

  6、电源设备的标准规范

  电源设备要进入市场,今天的市场已是超越局域融费全球的一体化市场,必须遵从能源、环境、电磁兼容、贸易协定等共同准则,电源设备要接受安全、 EMC、环境、质量体系等多种标准规范的论证。

  三、电源管理应用

  1、电源管理

  电源技术的发展是以晶闸管 (可控硅)的发展作为基础的。 1979年发明了功率场效应晶体管 (MOSFET),1986年生产了高压集成电路(HVTC),也就是最早的电源集成电路(电源IC)。正是因为电源集成电路逐步成为功率半导体器件中的主导器件,把电源技术推向了电源管理的新时代。

  电源管理半导体从所包含的器件来说,明确强调电源管理集成电路(电源管理IC,简称电源管理芯片)的位置和作用。电源管理半导体包括两部分,即电源管理集成电路和电源管理分立式半导体器件。

  电源管理集成电路包括很多种类别,大致又分成电压调整和接口电路两方面。电压凋整器包含线性低压降稳压器(即LOD),以及正、负输出系列电路,此外不有脉宽调制(PWM)型的开关型电路等。因技术进步,集成电路芯片内数字电路的物理尺寸越来越小,因而工作电源向低电压发展,一系列新型电压调整器应运而生。电源管理用接口电路主要有接口驱动器、马达驱动器、功率场效应晶体管(MOSFET)驱动器以及高电压/大电流的显示驱动器等等。

 

  电源管理分立式半导体器件则包括一些传统的功率半导体器件,可将它分为两大类,一类包含整流器和晶闸管;另一类是三极管型,包含功率双极性晶体管,含有MOS结构的功率场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。

  在某种程度上来说,正是因为电源管理IC的大量发展,功率半导体才改称为电源管理半导体。也正是因为这么多的集成电路 (IC)进入电源领域,人们才更多地以电源管理来称呼现阶段的电源技术。