工业电源模块对功率器件的要求

时间: 2024-06-30 11:56:41 |   作者: kaiyun官方平台app下载

  的作用是将交流电转换为直流电，在工业领域为设备提供稳定的电力供应，在工业自动化、通讯、医疗、数据中心、新能源储能等领域普遍的使用。与普通的电源相比，应用环境苛刻复杂，对电源的稳定性要求更高，需满足一些特别的条件，如低功耗、高功率密度、高可靠性和高耐用性，同时，它对EMI和稳定能力的要求也比其它应用更为严格。

  按在电能转换过程中的位置做分类，电源可分为一次电源和二次电源。模块电源属于二次电源，是采用优化的电路和结构设计，利用先进的工艺和封装技术制造， 形成的一个结构紧密相连、体积小、高可靠的电子稳压电源。

  模块电源按输出功率分主要有小功率（1W~10W）、中功率（10W~100W）和大功率（100W以上）；按输入输出类型分为AC/DC（交流输入直流输出）和DC/DC（直流输入直流输出）；按隔离方式分为隔离型（输入输出之间有隔离变压器）和非隔离型（输入输出之间无隔离变压器）；按封装形式分为插拔式（可以插拔安装在印刷电路板上）和焊接式（需要焊接安装在印刷电路板上）。

  工业电源常常要提供稳定且连续的电力来满足各种工业设备的需求。为此，工业电源通常采用高质量的元器件，且配备先进的控制和调节系统来确保其输出电压和频率的稳定性。此外，工业电源还需具备高效率和良好的散热性能，能够满足工业场合对于能源效率和设备稳定性的高要求，为此对电感元器件也提出了以下需求。

  首先就是低损耗、高效率需求，在工业领域会使用大量智能设备和传感器，所以工业电源的低功耗就成了关注度很高的需求，主要需要减少设备发热，提升电源输出效率。为满足工业电源的低功耗和高效率需求，设计电感产品时应选用低损耗磁芯和线材。电感损耗主要由磁芯和电感线圈来决定，磁芯和线圈损耗越大，输出效率越低，发热越明显。

  在低功耗的前提下，高功率密度也是需求度很高的一环，在追求电源系统内部功率转换器小型化的同时，实现高效的大功率输出。顺应高功率密度趋势，设计应用于工业电源的电感时除了选择低损耗材料，还要进行结构设计优化，满足小型化、小体积需求。

  并且元器件需承载大电流，许多工业设备应用功率可达数百甚至数千瓦，因此工业电源大都采用大功率方案。应用于工业电源的电感必须在高瞬态峰值电流情况下保持足够的电感值，以保障电路的正常工作。同时还需要长时间承受持续大电流输出，保持电感表面温升不超出规定值。

  高可靠性及抗干扰能力也十分重要，工业领域环境复杂，电源系统会受到高低温、振动、噪音、电磁干扰等因素影响，电感产品要能在高负载和恶劣环境下稳定工作，具备抗冲击和抗机械振动，抗电磁干扰等特征，还要在高低温环境下保持良好的电气性能。并且在高功率密度设计的电路方案中，元器件的高密度安装，必然会导致电磁干扰问题，采用磁屏蔽结构有助于增强电感的抗干扰能力，提高电源系统的稳定性和可靠性。

  电源的主要需求为低输出纹波、低温升、高集成度，以满足日益复杂的IC特性参数精确测试，这对电源设计提出了新的挑战。对比传统工业电源，不断更新的电源设计对集成化、智能化、精确度、高效小型化等需求愈发强烈。客户大多希望采用模块化的电源产品。模块电源主要用于电力电子、军工、工业控制、汽车电子、航空航天等工业领域。由于采用模块组建电源系统具有设计周期短、可靠性高、系统升级容易等特点，模块电源的应用越来越广泛，对使用的电感也提出越来越高的要求，要求小体积、大电流，能适用于高频高温环境等。

  相比DC-DC隔离电源模块，非隔离DC-DC电源模块效率更高，大多电源厂商的非隔离电源模块的效率都能达到91%以上。其主要用于电力电子、军工、科研、工业控制、汽车电子、航空航天等工业性质领域，对使用的电感要求小体积、大电流，适用于高频高温环境。

  在选择电源转换器和开发满足工业应用挑战性需求的电源时，必须平衡多种选择和权衡与项目优先级。虽然有很多方法可以做到这一点，但最常见的方法是从电源需要出示的功率（以W为单位）开始，以及输入和输出隔离的任何需求。

  而工控电源主要用来控制负载的运转，作为工业生产里的关键组成部分，其性能和可靠性对于生产效率和设备管理至关重要。应用于工业控制电源的元件需具有更高的鲁棒性（Robust），尤其是在电路短路时也可承受过电流，可承受更宽的工作时候的温度范围的同时还要具有功率效率。

  高效的AC/DC转换器设计无法通过单一设计来实现，首先应该为转换器选择正真适合的内核拓扑结构，并确定最适合该方法和功率电平的开关频率;该频率通常在100千赫兹（kHz）和1兆赫兹（MHz）之间。并且需要优化电路，在任何基本设计中都存在许多小的低效率来源，电源工程师已经确定了部分或大部分最大优化效率方法，并使用传统有利于提高效率的有源和无源元件，对于功率器件（MOSFET）和一些二极管，现在已经演变成基于碳化硅（SiC）工艺技术的元件。总体来说，碳化硅技术现在成为下一代低损耗开关和阻断元件最可行的材料，因为它具有低导通电阻和高温下的优越特性。与单独使用硅相比，它具有许多优点，因为它具有更高的击穿电压和其他特性，包括：更高的临界击穿电场电压，因此能在给定的额定电压下工作，并可大幅度的降低导通电阻。而且其具有更高的导热性，从而在横截面积上产生更高的电流密度。SiC二极管和FET通常被称为宽带隙（WBG）器件，因其带隙宽，高温下的漏电流低，所以也是作为AC/DC转换器最佳的元件。

  无论是基于硅还是碳化硅，MOS-FET的开关都必须仔细考虑与栅极驱动电压、电流、压摆率、瞬变、过冲、输入电容和电感以及许多其他静态和动态因素相关的许多细节。栅极驱动器充当来自控制处理器输出的低电平、相对简单的信号与开关器件的栅极输入之间的接口。它是一种特殊类型的电源转换器，其输出与功率器件的要求相匹配。

  当一对开关器件以半桥或全桥等常见排列方式使用时，驱动器模块还必须确保高边和低端器件即使在一瞬间也不会同时导通，因为这会导致电源轨和接地之间的短路。此外，在某些功率器件应用中，一个或两个功率器件路径必须与系统接地电气隔离，同时仍为每个路径提供匹配的性能。

  新能源汽车和新能源储能设备的加快速度进行发展，也带动了电池检测市场的发展。但从现在的新能源开发及应用来讲，太阳能行业应该是独占鳌头的。据权威杂志预测：太阳能光伏发电在21世纪会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将变成全球能源供应的主体。预计到2030年，可再次生产的能源在总能源结构中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上；到2040年，可再次生产的能源将占总能耗的50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；新能源电池检测设备能有效提升电池的安全性，延长电池的常规使用的寿命。电池检测技术壁垒高，应用于新能源电池检测设备的电感也需要满足稳定可靠、宽频宽温、耐大电流等需求，同时要求紧凑型设计结构。

  由于应用环境的压力，工业电源和转换器的设计人员在实现性能、成本、空间和可靠性要求方面面临着一系列独特的挑战。高功率水平需要额外考虑效率、散热和封装。还有栅极驱动器和电流检测问题是需要解决。通过适当考虑应用的要求，可以轻松应对工业级电源和转换器的挑战。

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