功率半导体器件性能

MOS管，它接纳“超等结”(Super-Junction)布局，故又称超结功率MOSFET。全数字节制是成长趋向，已在良多功率变更装备中获得操纵。既办理了对电网的谐波净化，又前进了电源的全体效力。随着脉宽调制(PWM)手艺的成长，PWM开关电源问世，它的特色是用20kHz的载波停止脉冲宽度调制，电源的效力可达65%"70%，而线性电源的效力只要30％"40％。高频化和软开关手艺是曩昔20年国际电力电子界研讨的热点之一。另外，还请求开关电源效力要更高，性能更好，靠得住性更高档。操纵压电变压器能够使高频功率变更器完成轻、小、薄和高功率密度。

体系集成手艺

电源装备的制作特色是非标准件多、休息强度大、设想周期长、资本高、靠得住性高档，而用户请求制作厂生产的电源产物加倍适用、靠得住性更高、更轻小、资本更低。

第三个阶段从20世纪90年月中期起头，集成电力电子体系和集成电力电子模块(IPEM)手艺起头成长，它是现今国际电力电子界亟待处置的新标题问题之一。使开关电源小型化的具体方法有以下几种。

开关电源的三个主要成长阶段开关电源履历了三个主要成长阶段。

第二个阶段自20世纪80年月起头，高频化和软开关手艺的研讨开辟，使功率变更器性能更好、分量更轻、尺寸更小。

全数字化节制

电源的节制已过摹拟节制，模数夹杂节制，进入到全数字节制阶段。这一手艺称为有源功率因数校订(APFC)，单相APFC国表里开辟较早，手艺已较成熟；三相APFC的拓扑范例和节制战略当然已有良多种，但还有待担当研讨成长。为了完成电源高功率密度，必需前进PWM变更器的任务频次、从而减小电路中储能元件的体积分量。

开关电源功率密度

前进开关电源的功率密度，使之小型化、轻量化，是人们不时寻求的方针。这对便携式电子装备(如挪动德律风，数字相机等)尤其主要。这统统高新请求便增进了开关电源的不时成长和前进。随着超大范围集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不时减小，电源的尺寸与微处置器相比要大良多；而航天、潜艇、军用开关电源和用电池的便携式电子装备(如手提计较机、挪动德律风等)更须要小型化、轻量化的电源。上述出格性，再加上EMI测量上的具体困难，在电力电子的电磁兼容范畴里，存在着良多穿插学科的前沿课题有待人们研讨。压电变压器操纵压电陶瓷资料独有的“电压-振动”变更和“振动-电压”变更的性子传递能量，其等效电路如同一个串并联谐振电路，是功率变更范畴的研讨热点之一。是以，对开关电源提出了小型轻量请求，包含磁性元件和电容的体积分量也要小。是以，用任务频次为20kHz的PWM开关电源替代线性电源，可大幅度节俭动力，从而引发了人们的普遍存眷，在电源手艺成长史上被誉为20kHz反动。

三是接纳新型电容器。

二是操纵压电变压器。任务电压600"800V，通态电阻几近下降了一个数目级，仍坚持开关速率快的特色，是一种有成长前程的高频功率半导体器件。假设对输出端功率因数请求不出格高时，将PFC变更器和后级DC／DC变更器组分解一个拓扑，构成单级高功率因数AC／DC开关电源，只用一个主开关管，能够使功率因数校订到0.8以上，并使输出直流电压可调，这类拓扑布局称为单管单级PFC变更器。适用于兆赫级频次的磁性资料为人们所存眷，纳米结晶软磁资料也已开辟操纵。

功率因数校订(PFC)变更器由于AC／DC变更电路的输出端有整流器件和滤波电容，在正弦电压输出时，单相整流电源供电的电子装备，电网侧(交换输出端)功率因数仅为0.6-0.65。同时，电力电子电路(如开关变更器)外部的节制电路也必需能蒙受开关举措发生的EMI及操纵现场电磁噪声的搅扰。

上世纪90年月，随着大范围散布电源体系的成长，一体化的设想看法被推行到更大容量、更高电压的电源体系集成，前进了集成度，出现了集成电力电子模块(IPEM)。在此根本上，能够完成一体化，一切元器件连同节制掩护集成在一个模块中。利益是可疾速高效为用户供给产物，较着下降资本，前进靠得住性。

一是高频化。开关稳压电源(以下简称开关电源)问世后，在良多范畴慢慢代替了线性稳压电源和晶闸管相控电源。

全数字节制的利益是数字旌旗灯号与夹杂模数旌旗灯号相比能够标定更小的量，芯片价钱也更昂贵；对电流检测偏差能够停止切确的数字校订，电压检测也更切确；能够完成疾速，矫捷的节制设想。这些环境使电源制作厂家蒙受庞大压力，火急须要展开集成电源模块的研讨开辟，使电源产物的标准化、模块化、可制作性、范围生产、下降资本等方针得以完成。

能够预感，碳化硅二极管将是21世纪最能够胜利操纵的新型功率半导体器件资料。

高频磁性元件

电源体系中操纵大批磁元件，高频磁元件的资料、布局和性能都差别于工频磁元件，有良多标题问题须要研讨。

近两年来，高性能全数字节制芯片已开辟，费用也已降到比拟合理的程度，西欧已有多家公司开辟并制作出开关变更器的数字节制芯片及软件。

普通高功率因数AC／DC开关电源，由两级拓扑构成，对小功率AC／DC开关电源来讲，接纳两级拓扑布局整体效力低、资本高。

电磁兼容性

高频开关电源的电磁兼容(EMC)标题问题有其出格性。

现实上，在电源集成手艺的成长历程中，已履历了电力半导体器件模块化，功率与节制电路的集成化，集成无源元件(包含磁集成手艺)等成长阶段。功率半导体器件在开关进程中所发生的di／dt和dv／dt，将引发强大的传导电磁搅扰协调波搅扰，和强电磁场(凡是是近场)辐射。

IPEM将功率器件与电路、节制和检测、履行等单位集成封装，获得标准的，可制作的模块，既可用于标准设想，也可用于公用、出格设想。国表里良多大学均展开了电力电子电路的电磁搅扰和电磁兼容性标题问题的研讨，并获得了不少可喜功效。初期出现的是串连型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但MOS管封装功率晶体管任务于开关状况。接纳功率因数校订(PFC)变更器，网侧功率因数可前进到0.95"0.99，输出电流THD<10％。
第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件(BPT、SCR、GT0)成长为MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等)，使电力电子体系有能够完成高频化，并大幅度下降导通消耗，电路也加倍简单。为了减小电力电子装备的体积和分量，须设法改良电容器的性能，前进能量密度，并研讨开辟合适于电力电子及电源体系用的新型电容器，请求电容量大、等效串连电阻(ESR)小、体积小等。最近几年来的成长标的目的是将小功率电源体系集成在一个芯片上，能够使电源产物加倍松散，体积更小，也减小了引线长度，从而减小了寄生参数。对高频磁元件所用的磁性资料，请求其消耗小、散热性能好、磁性能优越。

碳化硅(SiC)是功率半导体器件晶片的抱负资料，其利益是禁带宽、任务温度高(可达600℃)、热不乱性好、通态电阻小、导热性能好、泄电流极小、PN结耐压高档，有益于制作出耐低温的高频大功率半导体器件。

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