高功率密度模块电源中采用的新材料和新技术

高功率密度模块电源中采用的新材料和新技术 长期以来由于在通信设备电源 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中广泛采用分布供电方式,小功率模块电源(100W以下)一直占据着模块电源的主导地位,然而随着设备功能不断升级,局部集中供电方式因成本较低又被重新提起,在这种形势下,大功率(>100W)、高密度、高可靠性的模块电源正越来越多地得到广泛应用,和以往的体积笨重、性能一般的大功率模块电源相比,以半砖、全砖封装形式为代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 的高功率密度模块电源,有以下几方面的特点:国际流行的工业 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 封装,产品兼容性更广;同等功率体积重量大大缩小,只有传统产品的四分之一;技术指标有重大改善特别是效率提高到90%@5V;优异的热设计带来更低的温升更高的可靠性。 那么,这些特点是如何实现的呢?要想提高电源产品的功率密度,无非三个方面:其一是采用先进的电路拓朴和转换技术,实现大功率低损耗;其二是减小各部件体积并利用紧凑型工艺结构;其三是改进热设计,使高功率密度条件下达成散热平衡成为可能。 低损耗转换技术 大功率模块电源的损耗主要有四部分:高频开关损耗、高频变压器损耗、整流损耗和线路传导损耗。尤其在低压大电流输出应用中,后两项占有较大比重,特别是整流损耗约占总损耗的一半,因此降低损耗就要考虑在这些环节上采用新的器件和电路技术。 采用先进的同步整流技术代替普通二极管整流技术 传统的整流 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 为二极管整流,低压条件下一般是肖特基二极管,和其他二极管整流器件相比,它具有开关速度快,正向压降小的特点,但是正向压降也有0.5~0.6V,且反向漏电流较大,同步整流技术采用低导通电阻,低耐压的场效应管(MOSFET)代替普通二极管整流,由于同步整流MOSFET具有导通电阻低(一般只有几个mΩ)、阻断时漏电流小、开关频率高的特点,因而可以大大减小整流部分的开关损耗,系统效率明显提高(以5V/20A为例,仅此一项效率就可提高5%~6%),图1表明了两种整流技术压降的对比情况: 采用软开关架构,减小开关损耗,提高可靠性 一般的PWM方式开关均为硬开关,开关过程dv/dt和di/dt都比较大,因而开关损耗大、冲击大,开关管结温高、寿命短,采用ZVS(零电压方式)和ZCS(零电流方式)开关架构可以使开关过程更加平滑,损耗和冲击更小,因而可以降低开关管结温从而大大提高其工作寿命,另外高频开关本身也是模块电源中一个主要的噪声源,大的dv/dt和di/dt都会在输入输出的信号频谱上有所反映,采用软开关技术后,dv/dt 和di/dt大大减小,系统本身也获得了较好的电磁兼容性(EMC)。 合理的变压器材料选用和工艺结构设计 变压器损耗也是模块电源损耗的重要部分,它主要包括两部分:铁损和铜损。铁损指的是变压器材料、形状、工艺结构有关的高频转换损耗,铜损指的是绕组线路传导损耗,为了减小铁损,应选择高频特性好、转换损耗小、形状合理、结构紧凑的磁芯材料,在后面部分我们要提到,为了减小模块电源的体积,开关频率要提高到500kHz左右,在这样高的开关频率下,一般的磁芯材料损耗大得可能都无法工作,很容易 过热饱和,因此必须选择性能优良的高频磁芯材料。除了磁材以外,绕组设计也很重要,不仅对铜损有影响,而且关系到绕组间的耦合,对铁损也有一定影响,这些内容在后面的平面变压器部分还会介绍。 电路合理布局,减小传导损耗 大功率模块电源特别是大电流输出模块电源,电路传导损耗也不容忽视,必须引起足够重视,在电路布局和走线方面,应充分考虑大电流输出的需要,尽量减小线路传导阻抗,从而减小该部分损耗,具体而言就是综合考虑,尽量减小输出大电流回路的距离,并适当增大线路截面积。 减小模块电源体积 影响模块电源体积的主要是几个因素,一是磁性部件形状和大小,二是所有元器件数目多少,三是工艺结构布局。 提高开关频率,减小磁性部件尺寸 磁性部件尺寸大小和开关频率密切相关。在允许的工作频率范围内,磁性部件尺寸和开关频率成反比,即要想减小磁性部件如变压器、电感的尺寸,就要提高开关频率,如前所述,一定要以合理的损耗为前提,因此归根结底变压器等磁性材料特性要十分优异。 变压器等磁性部件平面化设计 传统的变压器和电感一般采用立式或卧式结构,适合于功率不大的场合,且绕组一般为漆包线绕制,体积很大,在大功率模块电源应用中上述变压器结构显然不能满足要求,平面变压器不仅外部形状发生变化,绕组结构也更适合于大功率应用,一般均为印制线路板或薄的铜带,可以允许大电流流过,并且绕组采用平面多层叠放结构,耦合紧密,漏感小,电性能非常优异。随着多层印制板技术的完善成熟,整个变压器绕组甚至可以一次加工成一个完整的组件,产品一致性更好且装配极为简单方便,可以有效降低加工成本。 尽量简化电路设计,工艺结构布局合理化 一般而言,模块电源主回路不会有太多取舍,但是相同的控制方案却有多种电路形式可以选择,一般尽量选择元器件数目少的电路方案,这样不仅可以缩小整机体积,亦可提高系统的可靠性,另外还应选取紧凑合理的结构布局才能进一步减小体积。 改进热设计 模块电源中的热源主要有三处:高频开关管、变压器和电感、整流管。在电路结构、元件形式一定的情况下,改进热设计的核心内容就是减小各部分发热器件散热的热阻,在半砖、全砖模块中我们主要采用了两方面的技术:一是铝基覆铜板散热工艺,二是包括变压器在内的功率元器件表面贴装散热技术。 铝基板覆铜板散热工艺 铝基覆铜板是近几年在国内外新兴的一种线路板材料,它的结构剖面如图2所示:1是铝基覆铜板上表面贴装的功率元件,如开关管、整流管、变压器等;2是覆铜层,相当于普通PCB的覆铜层,一般单面板 居多,也有双面板;3是一层导热绝缘材料,一般只有几十微米厚,是铝基覆铜板的核心技术所在;4是金属基板,一般是铝也可以是铜,和传统的环氧玻璃布层压板等PCB材料相比,铝基覆铜板有着其他材料不可比拟的优点: 散热效果极好。铝基板既是覆铜层电路赖以支撑的基材更是优良的散热器材,且三层材料(2、3、4层)用特殊工艺压制而成,传导热阻非常小,一般只有普通安装方式的1/5左右,因而才能获得优良散热效果。 良好的绝缘性能和机械性能。铝基覆铜板上下两层均为导体,既要保证良好的导热效果又要保证良好的绝缘性能和机械性能,完全依赖中间层——导热绝缘层及压接工艺,一般进口材料技术比较成熟,性能稳定可靠,绝缘耐压可达6000V AC,绝缘电阻在1013Ω以上,热冲击和机械性能也非常好。 适合SMT安装工艺,无需散热器,体积大大缩小。铝基覆铜板既有普通PCB的功能又能导热,完全不需要另外安装散热器件,因此体积大大减小,特别是整体高度大大降低,非常适合模块电源应用。 功率元件表面贴装工艺 传统的安装工艺中开关管、整流管是紧压在散热器表面上,中间垫有导热绝缘材料,此种方式不仅占用空间大,热阻也较大,导致元器件结温较高,寿命较短,而变压器等磁性部件则完全靠自身向空气中以辐射等方式散热,效果更是差强人意。采用铝基覆铜板工艺后,开关管、整流管等元器件表面贴装焊在铝基板覆铜层上,接触面积大(整个金属散热面)且热阻极小(器件与覆铜之间是焊接而不是压接,接触电阻和热阻都非常小),而平面变压器也用表面贴装方式与铝基板大面积接触,散热以直接传导为主而不是以辐射为主,因而散热效果大大提高,这样热量就沿着热源——覆铜层——导热绝缘层——铝基板——空气这样的路径,每一环节均为低热阻传导,才能保证器件的低结温和长寿命。 综上所述,在半砖、全砖为代表的高功率密度模块电源中,正是由于采用了各项新技术材料和新技术,才使大功率模块电源面貌焕然一新,迎来了产品应用的又一个里程碑。