¿Cuál es el desarrollo de la optimización de parámetros de las fuentes de alimentación conmutadas en el país y en el extranjero?
1. Dispositivo semiconductor de potencia de carburo de silicio (SiC) de alto rendimiento
Es previsible que el carburo de silicio sea el nuevo material para dispositivos semiconductores de potencia que con mayor probabilidad se aplicará con éxito en el siglo XXI. siglo. Sus ventajas son: banda prohibida, alta temperatura de funcionamiento (hasta 600 °C), baja resistencia en estado encendido, buena conductividad térmica, corriente de fuga extremadamente baja y alta resistencia al voltaje de la unión PN.
2. Tecnología magnética de alta frecuencia
Hay muchos tipos de componentes magnéticos utilizados en los convertidores de conmutación de alta frecuencia y hay muchas cuestiones básicas que deben estudiarse.
(1) Con la alta frecuencia de las fuentes de alimentación conmutadas, algunos parámetros parásitos que pueden ignorarse en bajas frecuencias tendrán un impacto importante en el rendimiento de ciertos circuitos (como la energía máxima de conmutación y el nivel de ruido) en altas frecuencias. frecuencias. En particular, la corriente parásita, la inductancia de fuga, la resistencia de CA del devanado Rac y la capacitancia distribuida de los componentes magnéticos varían mucho entre frecuencias bajas y altas. Como tema de vanguardia, la teoría de la tecnología magnética de alta frecuencia todavía recibe una atención generalizada, como por ejemplo: modelado matemático de pérdida de hierro, modelado de simulación de bucles de histéresis, modelado de simulación por computadora y CAD de componentes magnéticos de alta frecuencia, One- modelos de simulación dimensional y bidimensional de transformadores, etc. Cuestiones que quedan por estudiar: El diseño de componentes magnéticos de alta frecuencia determina el rendimiento, la distribución de pérdidas y la forma de onda de las fuentes de alimentación conmutadas de alta eficiencia. Se espera brindar criterios de diseño, métodos, dependencia de los parámetros magnéticos y parámetros estructurales en el rendimiento del circuito, y aclarar las libertades y restricciones del diseño.
(2) Los materiales magnéticos de alta frecuencia tienen los siguientes requisitos: pequeña pérdida, buen rendimiento de disipación de calor y propiedades magnéticas superiores. La gente está prestando atención a los materiales magnéticos adecuados para frecuencias de MHz, como 5 ~ 6? A 1 MHz (Bm = 0,1 T), la pérdida de la cinta amorfa ultrafina a base de cobalto M es de solo 0,7 ~ 1 W/cm3, que es 1/3 ~ 1/4 de la ferrita de alta frecuencia de MnZn. También se están investigando películas magnéticas blandas nanocristalinas.
(3) Investigación sobre la integración de alta densidad de ferrita u otros materiales de película delgada en obleas de silicio. O el material de silicio se integra en ferrita, que es una tecnología de integración híbrida magnetoeléctrica. La integración híbrida magnetoeléctrica también incluye la utilización de la capacitancia distribuida entre las capas de bobinado de la lámina del inductor para lograr una integración híbrida de componentes magnéticos y condensadores.
3. Nuevos condensadores
Desarrollar nuevos condensadores y condensadores supergrandes adecuados para sistemas de suministro de energía. Requiere gran capacitancia, pequeña resistencia equivalente (ESR) y tamaño pequeño. Según los informes, Estados Unidos había desarrollado el 330? Como nuevo tipo de condensador de tantalio sólido, su resistencia en serie equivalente se reduce significativamente.
4. Tecnología de conmutación AC DC con corrección del factor de potencia
La fuente de alimentación AC DC de alto factor de potencia generalmente consta de dos etapas: agregar un factor de potencia previo al convertidor DC-DC. El corrector requiere al menos dos interruptores principales y dos conjuntos de circuitos de control y accionamiento. Por lo tanto, para las fuentes de alimentación conmutadas de baja potencia, la eficiencia general es baja y el costo es alto.
Cuando el factor de potencia de entrada no es particularmente alto, una fuente de alimentación conmutada AC-DC de pequeña potencia se compone de un circuito combinado de PFC y convertidor. Solo un tubo de interruptor principal puede corregir el PF por encima de 0,8. que se llama convertidor AC-DC con corrección PF de una sola etapa y un solo tubo, denominado S4. Por ejemplo, el convertidor CA/CC aislado con corrección S4PF utiliza un convertidor Boost operado por DCM como corrector del factor de potencia previo, y el convertidor flyback sirve como circuito principal del regulador de voltaje posterior, operando de acuerdo con CCM o DCM; El circuito de dos etapas se comparte. Un tubo de conmutación principal.
5. Investigación sobre la compatibilidad electromagnética de fuentes de alimentación conmutadas de alta frecuencia.
La compatibilidad electromagnética de las fuentes de alimentación conmutadas de alta frecuencia tiene sus particularidades. Por lo general, implica di/dt y dv/dt generados durante el proceso de conmutación, lo que provoca fuertes interferencias electromagnéticas conducidas e interferencias armónicas. En algunos casos también se puede producir una fuerte radiación de campos electromagnéticos. No sólo contamina gravemente el entorno electromagnético circundante, provoca interferencias electromagnéticas en los equipos eléctricos cercanos, sino que también puede poner en peligro la seguridad de los operadores cercanos. Al mismo tiempo, el circuito de control dentro de la fuente de alimentación conmutada también debe poder resistir la interferencia del ruido electromagnético del circuito principal y los sitios de aplicación industrial. Debido a las particularidades mencionadas anteriormente y a las dificultades específicas de medición, el trabajo de investigación sobre la compatibilidad electromagnética de las fuentes de alimentación conmutadas está todavía en sus inicios. Evidentemente, en el campo de la compatibilidad electromagnética, hay muchos temas interdisciplinarios de vanguardia que es necesario estudiar. Tales como: modelado de campo cercano, interferencia conducida e interferencia radiada de circuitos y sistemas típicos; software de diseño de optimización de compatibilidad electromagnética para placas de circuito impreso y fuentes de alimentación conmutadas: el impacto de la frecuencia intermedia baja, la súper frecuencia de audio y la alta frecuencia. fuertes campos magnéticos para la salud humana; fuentes de alimentación conmutadas de alta potencia Investigación sobre métodos de medición de la compatibilidad electromagnética.
6. Tecnología de diseño y prueba de fuentes de alimentación conmutadas.
El modelado, la simulación y el CAD son herramientas de diseño nuevas, cómodas y económicas. Para simular una fuente de alimentación conmutada, primero se debe realizar un modelado de simulación. El modelo de simulación debe incluir dispositivos electrónicos de potencia, circuitos convertidores, circuitos de control digitales y analógicos, componentes magnéticos y modelos de distribución de campos magnéticos, modelos de parámetros de distribución de circuitos, etc. Además, también se consideran el modelo térmico, el modelo de confiabilidad y el modelo de compatibilidad electromagnética del tubo de conmutación. Varios modelos varían mucho, por lo que la dirección de desarrollo del modelado debe ser: modelado híbrido digital-analógico; modelado jerárquico híbrido; y combinar varios modelos en modelos unificados de múltiples niveles (similares a modelos de circuitos, con diagramas de bloques, etc.); Generar modelos automáticamente, permitiendo que el software de simulación tenga funciones de modelado automático, ahorrando tiempo a los usuarios. Sobre esta base, se puede establecer una biblioteca modelo.
El CAD de fuentes de alimentación conmutadas incluye el diseño del circuito principal y del circuito de control, selección de dispositivos, optimización de parámetros, diseño magnético, diseño térmico, diseño EMI y diseño de placas de circuito impreso, predicción de confiabilidad, síntesis y optimización asistidas por computadora. diseño. El uso de un sistema experto basado en simulación para cambiar fuentes de alimentación CAD puede optimizar el rendimiento del sistema diseñado, reducir los costos de diseño y fabricación y realizar análisis de capacidad de fabricación. Es una de las direcciones de desarrollo de la tecnología de simulación y CAD en el siglo XXI. Actualmente, los países extranjeros han desarrollado sistemas expertos para diseñar convertidores de conmutación CC-CC y software MATSPICE para simulación.
Además, también se debe desarrollar vigorosamente el desarrollo, la investigación y la aplicación de pruebas térmicas, pruebas EMI y pruebas de confiabilidad de fuentes de alimentación conmutadas.
7. Desarrollo de fuentes de alimentación conmutadas de baja tensión y alta corriente
(1) Requisitos para convertidores conmutados de baja tensión y alta corriente
El La velocidad y la eficiencia de los sistemas de procesamiento de datos aumentan día a día. El voltaje lógico de la nueva generación de microprocesadores es tan bajo como 1,1~1,8V y la corriente alcanza 50~100A. Su fuente de alimentación es un módulo convertidor DC-DC con salida de bajo voltaje y alta corriente, también llamado módulo de regulación de voltaje (VRM). Los requisitos para VRM de la nueva generación de microprocesadores son: bajo voltaje de salida, gran corriente de salida, alta tasa de cambio de corriente, velocidad de respuesta rápida, etc.
① Para reducir la intensidad del campo eléctrico y el consumo de energía del ic, se debe reducir el voltaje de alimentación del microprocesador, por lo que el voltaje de salida del VRM debe reducirse de los tradicionales 3 V a menos. que 2V, o incluso 1v.
② Durante el funcionamiento, la corriente de entrada de energía es >100A. Debido a los parámetros parásitos L y C, la perturbación de voltaje es grande, por lo que L debe reducirse tanto como sea posible.
③El microprocesador se inicia y se detiene con frecuencia, se inicia y funciona constantemente desde el estado de suspensión y luego ingresa al estado de suspensión. Por lo tanto, se requiere que la corriente VRM cambie repentinamente de 0 a 50 A, y luego caiga repentinamente a 0, con la tasa de cambio actual alcanzando 5 A/ns.
④ El voltaje de perturbación debe controlarse a ≤10% durante el diseño, y se permite que el voltaje de salida varíe en ±2%.
(2) Utilizando tecnología de entrelazado de formas de onda.
La impedancia parásita de la línea, el ESR y ESL del condensador tienen un gran impacto en la regulación de voltaje del VRM cuando cambia la carga. Es necesario desarrollar un nuevo módulo de regulación de voltaje con alta frecuencia, alta densidad de potencia y alta velocidad. Actualmente existen una variedad de topologías, tales como: convertidor Buck de rectificación síncrona (que utiliza tubos MOS de potencia en lugar de diodos de conmutación para evitar la alteración de parámetros parásitos de alta frecuencia en el voltaje de salida cuando la corriente cambia significativamente), según la literatura; introduce el uso de múltiples canales de entrada o un convertidor CC-CC de múltiples fases aplica tecnología de entrelazado para garantizar una pequeña ondulación de salida de VRM, mejorar la respuesta transitoria de salida y reducir la inductancia y capacitancia del filtro de salida.
(3) Ondulación de tensión y tensión de impulso.
① Ondulación de voltaje y ESR. Para cargas con un voltaje inferior a 1 V y una corriente superior a 100 A, y la resistencia de la carga es inferior a 10 mω, que es inferior a la resistencia interna equivalente en serie del condensador de filtro, se producirán problemas de ondulación de voltaje. Ahora supongamos que esta fuente de alimentación se puede implementar con un convertidor elevador o elevador, pero la corriente de ondulación que fluye a través del condensador es superior a 100 A y la eficiencia es inferior al 50%. En este sentido, el convertidor reductor contiene un inductor de filtro en serie que suprime la corriente de rizado. Sin embargo, la resistencia de la carga es equivalente a ESR y la corriente ondulada fluye a través del capacitor y la carga respectivamente. Su método de trabajo es diferente al del circuito de filtro de corriente.
Para analizar la acción del voltaje de ondulación, se proporciona un circuito equivalente para simulación. Dependiendo del valor de Crc, existen cuatro tensiones de ondulación en la simulación. La curva de relación entre el valor de ondulación del voltaje y RC/R también tiene cuatro modos de acción. Cuanto mayor es C, menor es la tasa de ondulación. Para reducir aún más la ondulación del voltaje de salida de bajo voltaje y alta corriente, es decir, para reducir el valor de ESR del capacitor de filtro, se deben adoptar ciertos métodos y estrategias.
②Tensión de impacto causada por un cambio repentino en la carga. Para la carga de circuitos digitales, para responder rápidamente a varias conversiones de modo, las características de respuesta transitoria del voltaje de salida correspondientes a los cambios de carga son muy importantes. En este momento, si la tasa de cambio de la corriente es grande y el tiempo de generación del pulso es más corto que el período de conmutación Ts, es difícil esperar el efecto estabilizador del voltaje de salida provocado por la retroalimentación. Actualmente, la tecnología no tiene solución y se encuentra en etapa de investigación de simulación.
(4) Explorar la posibilidad de omitir el condensador de filtro.
Si el voltaje de salida fluctúa debido a cambios repentinos de carga y la duración de la fluctuación excede el ciclo de conmutación, se puede ajustar hasta cierto punto mediante retroalimentación, y el circuito de filtro LC juega un papel decisivo en este voltaje. efecto de ajuste. Para lograr el propósito de la regulación de voltaje, es necesario aumentar la frecuencia de conmutación, reducir los valores de L y C y extender la frecuencia de corte al extremo del dominio alto tanto como sea posible. Algunas personas consideran usar dos inversores asimétricos (con transformadores) para generar ondas cuadradas bifásicas. El voltaje de salida de cada inversor se conecta a la misma carga mediante rectificación de media onda, extendiendo la frecuencia de corte al extremo del dominio alto.
La frecuencia de conmutación está determinada por el tiempo de conmutación del MOSFET. Para mejorar la eficiencia de conmutación más allá de su valor límite, en la práctica se pueden utilizar interruptores multifásicos para aumentar de manera equivalente la frecuencia de conmutación. Sin embargo, el número de etapas también es limitado. Además, la causa del cambio está sólo en el lado de la carga, por lo que también es eficaz mantener la frecuencia de corte lo más baja posible. Para lograr este objetivo, el uso de filtros condensadores eléctricos de doble capa puede ser el camino a seguir. Por supuesto, debemos considerar cómo reducir la resistencia en serie equivalente y la inductancia en serie equivalente del condensador eléctrico de doble capa al mismo tiempo.
(5) Dispositivos portátiles y pilas de combustible
Para aparatos portátiles como ordenadores portátiles, teléfonos móviles y cámaras digitales, el suministro de energía es la parte más problemática. El suministro de energía para dispositivos portátiles siempre ha estado dominado por las baterías tradicionales, que no pueden satisfacer plenamente las necesidades de los usuarios en términos de portabilidad y uso a largo plazo. Por lo tanto, las pilas de combustible hechas de materiales poliméricos sólidos han atraído recientemente la atención de todos. La pila de combustible utiliza metanol como combustible, platino como catalizador y la estructura es una membrana de electrolito entre electrodos. La densidad de energía puede ser hasta 10 veces mayor que la de las baterías de litio. La temperatura de funcionamiento por debajo de 100 ℃ incluye la generación de energía a temperatura normal y el voltaje de una sola celda es de aproximadamente 1 ~ 2 V. Inicialmente, el hidrógeno era el combustible más ideal, pero desde un punto de vista práctico, es más conveniente utilizar una combinación de metanol y un catalizador de platino. Sin embargo, tiene problemas después de los cambios de carga, por lo que debe usarse junto con un capacitor para proteger los electrodos.
La ventaja de las pilas de combustible es que son fáciles de mantener y pueden utilizarse durante mucho tiempo. Cuando la batería está baja, solo necesita reponer el combustible y no es necesario cargarla durante mucho tiempo.
A partir de las fuentes de alimentación conmutadas de baja tensión y alta corriente, se analiza la dirección futura del desarrollo tecnológico de las fuentes de alimentación conmutadas. Según la Ley de Moore, el nivel de integración de los circuitos integrados se triplicará cada 18 meses, por lo que es difícil determinar hasta qué punto disminuirá el voltaje. Si esta tendencia continúa indefinidamente, se puede esperar que la demanda de energía siga creciendo. Para cumplir con estos requisitos, el desarrollo de nuevos semiconductores y condensadores es, en primer lugar, un requisito previo. Además, establecer un modelo de microestructura de componentes desde una perspectiva de circuito también puede convertirse en un punto clave para resolver el problema. Por lo tanto, en el futuro habrá una necesidad cada vez mayor de romper las fronteras disciplinarias y realizar investigaciones colaborativas multinivel.
8.Módulo convertidor DC-DC de baja tensión y alta corriente