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          6. 電源技術的關鍵要素有哪些
            • 發布時間:2021-07-23 18:08:41
            • 來源:
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            電源技術的關鍵要素有哪些
            電源是現代電子設計的重要部分,并且市面上有許多可用的組件能夠幫助工程師設計出節能、緊湊的電源產品。這些組件范圍從簡單的二極管等分立元件到采用高級半導體架構的復雜電源管理IC。
            設計高能效電源是一項極具挑戰的任務,電源工程師需要這些電源產品提供盡可能多的功率(通常需要比上一代產品提供更高的功率),同時又需要使其體積盡可能小。但是,在較高的功率水平級別,會產生很多需要消散的熱量,不斷積累的熱量會對電源產品的長期可靠性帶來負面影響。
            考慮到熱量與效率成反比關系,在幾乎所有有關電源的討論中,效率都是一個重要話題。效率提高意味著產生的熱量更少,因此可以需要更少的熱管理手段。這是工程學中為數不多的真正“雙贏”產品設計之一,因為這樣減小了電源尺寸,提高了功率密度,降低了BOM成本,同時降低了運營成本,并提高了可靠性。
            電源中使用的組件會對整體效率產生重大影響。本文將簡要分析各種主要組件類別。
            二極管
            如果使用管道作為類比,可以將二極管視為一種單向閥,它允許電流沿單向(從陽極到陰極)通過,但會阻止任何反向電流流動。二極管通常用于將交流電(AC)轉換為直流電(DC)的整流過程,其中四個二極管背靠背排列(如圖2所示),這種電路稱為全波“橋”形整流。在整流應用中,需要考慮的主要參數是正向電流額定值(安培)和可以承受的反向電壓。二極管在開關應用中也很有效。
            電源技術
            市場上有幾種可供選擇的二極管類型(見圖1),在電流導通時,由于每種特定類型相關的正向電壓不同,這些二極管的區別變得尤其明顯。常規二極管的壓降最大,這會導致更多的損耗,以及二極管中的散熱。而肖特基二極管的正向壓降更低,這使其損耗較小,但需要權衡的因素是其反向擊穿電壓較低。
            電源技術
            二極管在電流導通和阻止交流電流之間的轉換速度也很重要。采用常規材料制成的二極管速度有快有慢,而肖特基二極管(Schottky diodes)的速度幾乎都很快。
            碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等全新寬帶隙(wide-bandgap)半導體材料現在已經被用于二極管組件,這些新材料可以改善所有主要性能參數(如溫度額定值、正向電壓、反向擊穿電壓和速度等)。毫不奇怪,這些新型組件目前價格也比較昂貴,但其單價會隨著產量的增大而降低。
            齊納二極管(Zener diode)是一種特殊類型二極管,用于鉗位瞬態電壓或創建相當精確的電壓基準。這種獨特的二極管可阻止反向電流直至某個特定電壓,然后允許電流流過。通常選擇齊納二極管時需要考慮反向擊穿電壓。
            功率晶體管
            晶體管是一種能夠由電壓控制的固態開關。電流能夠在“集電極”和“發射極”之間通過,這取決于基極上的電壓。通過以高電壓或低電壓驅動基極,晶體管可以用作硬開關,這意味著電流或為滿量程,或為零。在基極上具有中間電壓的情況下,晶體管在其線性區域操作,并且電流由基極電壓控制。
            雙極結型晶體管(BJT)是最簡單的晶體管類型,通常僅用于低功率設計。BJT具有幾個不同的參數,但主要參數包括額定電流,在基極關斷時承受集電極和發射極之間電壓的能力、工作速度和電流增益(基極電流與集電極-發射極電流之比)。根據控制電壓和開關電壓的極性,BJT可分為NPN或PNP型,并使用略有不同的符號,如圖3所示。
            電源技術
            另一種類型晶體管是金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。與BJT相似,它們也是三極器件,但是各個極獲重新指定。在MOSFET中,控制引腳稱為“柵極(gate)”,受控電流在“漏極(drain)”和“源極(source)”之間通過。MOSFET的主要參數類似于BJT,包括額定電流、關斷時可承受的漏-源極電壓以及能夠提供的功率。
            對于功率應用中的MOSFET,最重要的參數是導通時在漏極和源極之間測得的電阻,這稱為“導通電阻”,其符號為RDS(ON)。導通電阻會造成MOSFET固有的功率損耗,并且對電源設計的整體功率損耗影響很大。另一個重要參數是驅動柵極所需的電荷量,稱為柵極電荷,用符號QG表示。這些電荷需要在每個開關周期提供,因此對高頻電源的損耗影響更大。
            由于MOSFET的功率損耗通常低于BJT,因此MOSFET可用于更高功率應用,尤其是現代高速設計,因為它們能夠以比BJT更高的頻率工作。MOSFET主要有四種類型,N溝道和P溝道兩種類型如圖4所示,另外還有增強模式和耗盡模式器件。這些名稱也確定了器件的極性,以及柵極是在常關(normally-off)模式還是在常開(normally-on)模式下工作。所有MOSFET均可在漏極和源極之間雙向傳導。
            電源技術
            BJT和MOSFET技術可以組合使用,以創建另一種晶體管,稱為絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。這種器件也具有一個門極(gate)以及一個集電極和一個發射極,但是由于它們速度相對較慢,并且是較舊的產品,因此一般僅在開關模式下使用。盡管IGBT通常頻率限制在50kHz左右,但它們可以應對更高的功率水平(典型值高達5kV/400A)。因此,它們通常部署在電機控制、動力電源和大型逆變器等高功率應用中。
            最后一種類型晶體管是晶閘管(thyristor),也稱為交流三極管(TRIAC)或可控硅整流器(SCR)。區別在于TRIAC可以雙向導通,而SCR只可以單向導通,這些器件的符號都代表了相應器件類型,如圖5所示。兩種類型都是由門極引腳控制的鎖存開關(latching switches),它們都非常適合大功率應用。
            電源技術
            寬帶隙技術
            自從半導體器件發明以來,硅一直是首選基礎材料,但是,為了將功率器件性能提升到新的水平,上面提到的寬帶隙材料(即SiC和GaN)正變得越來越普遍。與同類硅器件相比,寬帶隙材料能夠實現更快的開關,工作時具有更低的損耗,并且可以在更高溫度下工作。SiC和GaN最初針對MOSFET,目標是在效率和開關速度方面需要獲得最大改進的應用。
            電源管理IC
            電源轉換有多種類型:AC-DC、DC-DC和DC-AC,就像電源轉換方法種類繁多一樣,電源應用中使用的IC也多種多樣。對于這些,有許多拓撲架構可適用于特定的應用標準。一些最流行的拓撲架構包括降壓、升壓、橋式、半橋等。一些制造商提供的IC可以用作電源系統設計的控制器,通常一個完整的設計僅需要外部MOSFET和一些分立元件即可,從而縮短了開發時間。
            某些設計可能要求進行線性轉換,但這些往往適用于需要超低噪聲的醫療和科學儀器等專業應用。一些線性控制器需要外部MOSFET,而另外一些則內置有MOSFET,因而它們通常被稱為“三端穩壓器(three-terminal regulators)”。線性轉換的效率往往較低,在輸入和輸出電壓之間的差異較大時更是如此。
            通常,開關模式電源轉換更為常見,市場上也擁有更多這種IC。專為低功率應用而設計的器件可能在控制器內集成有MOSFET,而對于高功率應用,它們通常是獨立的。有些器件可能很復雜,并且需要設計多相電源解決方案。還有許多IC能夠集成到更大、更復雜的系統中,可用于與電源相關的其他功能。
            盡管許多控制IC看起來可以彼此互換,但在這一領域也有大量的專有技術。有時,制造商可能通過許可協議進行合作以共享某些技術,但在許多情況下,產品之間可能存在細微差異,這容易讓大家忽略其中的差異,并在實施時引起問題。
            功率組件封裝選項
            功率轉換是仍然在繼續使用通孔組件的少數幾個領域之一,這是因為需要將組件安裝在散熱器上。但是,大多數組件都具有表面貼裝選項,常見類型如圖6所示。封裝技術發展迅速,許多制造商找到了創新的途徑來將熱量從芯片中散發出去。這能夠提高性能基準,實現更高的功率密度,同時還確保了長期運行的可靠性。
            電源技術
            總結
            電源設計可能是一個復雜的領域,設計師在如何實現更好的規格參數以及滿足效率和安全標準等方面面臨巨大挑戰。市場上有許多用于電源系統的器件,它們大致可分為三類:二極管、電源開關(其中包括晶體管和MOSFET)、以及提供電源所需功能的更復雜集成電路。
            為了讓電源產品提供更多功能和更高性能,新器件也在不斷出現。效率和可靠性是關鍵指標,新型寬帶隙材料盡管價格較高,但技術的發展趨勢正在轉向這種更加堅固耐用,同時性能更高的器件。
            詞匯表
            交流電:一種電子流動方向可以有規律改變的電流
            BJT:固態開關器件,其中集電極和發射極之間的電流受基極中流動的電流控制
            升壓轉換器:一種將輸入電壓提升到更高輸出電壓的電源
            橋式轉換器:使用四個
            電話:18923864027(同微信)
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