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索尼|未來開關電源的發展方向在哪里？

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索尼|未來開關電源的發展方向在哪里？

在過去的40年里 ， 由于半導體開關電源（以下簡稱-SMPS）的技術快速發展 ， 由50 Hz變壓器發展到了如今的高頻型產品 。 開關量由較慢的開關晶閘管發展為雙極晶體管 ， 前期阻壓低 ， 后期阻壓高 。 這樣就可以使開關頻率達到60 kHz 。 80年代 ， 場效應晶體管是一種技術先進、價格合理、市場性價比高的產品 。 這樣就可以進一步提高開關頻率 ， 這一次達到數百 kHz 。


當然 ， 提高SMPS中的開關頻率并不能解決問題 。 由于磁力的物理特性 ， 這將使變電站裝置越來越小 ， SMPS的設計也會相應地越來越小 。 一方面 ， 是因為變電設備需要與危險的電源電壓絕緣；另一方面 ， 變電站設備需要調整輸出電壓電平 ， 以滿足消費者的需求 。
但是 ， 除非采用額外的冷卻方法 ， 否則開關頻率越高 ， 開關損耗越大 ， 這與較小體積設計的目標背道而馳 。 為此 ， 我們現在使用更復雜的開關拓撲 ， 這樣開關元件可以在無電壓或無電流的狀態下導通和關斷 。 即使基于開關技術無法實現這一功能 ， 目前的二極管和晶體管仍然使用砷化鎵或碳化硅開關元件 ， 開關速度極快 。 雖然與MOSFET技術相比 ， 這些元件仍然非常昂貴 ， 但它們的價格已經呈現出緩慢下降的趨勢 ， 因此它們將越來越適合工業應用 。 下面將詳細描述進一步提高開關頻率帶來的發展機遇和挑戰 。
開關頻率對變電站設備尺寸的影響
在20世紀70年代 ， 仍然使用帶有50Hz變壓器的SMPS ， 它們的形狀更大更重 。 一個250瓦的電源比鞋盒還大 ， 重約10公斤 。 變電站設備一直是每個供電單元的重要組成部分 ， 因此它極大地影響著SMPS的大小 。 變電站裝置中可傳遞的能量主要取決于冷卻、變壓器鐵心的體積、繞組和磁場的變化率 ， 這些因素也決定了傳輸頻率 。 因此 ， 如果你想增加變壓器的可傳輸功率或減小變壓器的尺寸 ， 同時保持相同的功率水平 ， 你需要增加傳輸頻率 。 在不考慮絕緣要求的情況下 ， 變電站設備的可傳輸功率的一階近似與傳輸頻率的平方根成反比 。 因此 ， 在現代SMPS中 ， 50Hz電源電壓首先被整流 ， 然后通過電子開關從DC電壓產生交流電壓 。 例如 ， 如果交流電壓的頻率為50Hz ， 變電站設備所需的尺寸約為50Hz時的三十分之一 ， 這自然會影響SMPS的體積和重量 。 在500千赫的頻率下 ， 變電站設備的尺寸可以進一步減小到原始尺寸的三分之一 。 這意味著 ， 如果頻率有任何額外的增加 ， 變電站設備的尺寸只能適度減小 。
開關頻率對緩沖器和濾波器尺寸的影響
在SMPS中 ， 電容器用于在電流中斷時緩沖電壓 ， 平滑電流和電壓的殘余紋波 ， 或濾除高頻干擾 。 這些電容器的尺寸也可以隨著頻率線性減小 ， 導致SMPS的體積減小 。 然而 ， 這不包括SMPS輸入端的緩沖電容(無論是否進行功率因數校正) ， 因為這些電容必須在DC(即100赫茲)下工作 。 這也是除非省略緩沖時間 ， 否則不能任意減小SMPS尺寸的原因 。
工作溫度和冷卻對SMPS尺寸的影響
經常被忽視的是 ， 如果功率輸出不受電流或功率的限制 ， SMPS的最大可傳輸功率主要取決于SMPS中的最大允許工作溫度和冷卻元件 。 廠家的說法往往有些夸張 ， 但如果不能提供預期的降溫效果 ， 可能會導致用戶方出現問題 。 因此 ， 在選擇SMPS時 ， 最好參考廠家提供的能效等級或功率損耗 。 如果一家廠商允許元器件的工作溫度明顯高于另一家比較保守的廠商 ， 那么SMPS的額定功率可能會高很多；然而 ， 這將大大降低其永久運行期間的可靠性 。 總的來說 ， 就開關技術而言 ， 今天的SMPS可以說已經最小化 ， 任何進一步的體積縮小都只能通過散熱片或額外的空氣冷卻來實現 。 然而 ， 額外的冷卻會增加成本 ， 尤其是空氣冷卻會產生噪音 ， 并可能帶來污染 。 因此 ， 這種方法需要討論 。

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