1. 고성능 실리콘 카바이드 (SiC) 전력 반도체 소자

탄화 실리콘은 2 1 세기에 가장 성공적으로 적용될 가능성이 높은 신형 전력 반도체 소재가 될 것으로 예상된다. 장점은 밴드 갭, 작동 온도 (최대 600 C), 통과 저항이 낮고, 열 전도성이 좋고, 누설 전류가 매우 낮고, PN 접합 내압이 높다는 것입니다.

고주파 자기 기술

고주파 스위치 변환기에 사용되는 자성 구성요소의 종류가 다양하여 연구해야 할 많은 기본 문제가 있다.

(1) 스위칭 전원 공급 장치가 고주파됨에 따라 일부 저주파 시 무시할 수 있는 기생 매개변수는 고주파수 시 스위치 피크 에너지 및 소음 수준과 같은 일부 회로 성능에 중요한 영향을 미칩니다. 특히 자성 컴포넌트의 소용돌이, 누전, 권선 AC 저항 Rac 및 분포 커패시턴스는 저주파 및 고주파에서 크게 다릅니다. 고주파 자기 기술 이론은 여전히 ​​철 손실의 수학적 모델링, 히스테리시스 루프의 시뮬레이션 모델링, 고주파 자기 요소의 컴퓨터 시뮬레이션 모델링 및 CAD, 고주파 변압기의 1 차원 및 2 차원 시뮬레이션 모델과 같은 최첨단 분야로서 많은 주목을 받고 있습니다. 아직 연구해야 할 문제: 고주파 자성 컴포넌트의 설계에 따라 고효율 스위칭 전원 공급 장치의 성능, 손실 분포, 파형 등이 결정됩니다. 사람들은 설계 기준, 방법, 자기 매개변수 및 구조 매개변수가 회로 성능에 대한 의존성을 제공하고 설계의 자유와 구속을 명확히 하기를 원합니다.

(2) 고주파 자성 재료에 대한 요구 사항은 다음과 같습니다. 손실이 적고, 열 성능이 우수하며, 자기 성능이 우수합니다. 사람들은 메가헤르츠 주파수에 적합한 자성 재료 (예: 5~6) 에 관심이 있습니까? 1MHz(Bm=0. 1T) 에서 m 초박형 코발트 계 비정질 벨트의 손실은 0.7~ 1W/cm3 에 불과하며 MnZn 입니다 나노 결정 연 자성 필름도 연구 중이다.

(3) 철산소체나 기타 박막 소재가 실리콘 칩에서 고밀도의 통합에 관한 연구. 또는 실리콘 소재가 철산소체에 통합되어 있는 것은 자기전기 혼합 통합 기술이다. 자기 전기 혼합 통합에는 인덕턴스 호일 권선 층간 분포 커패시턴스를 이용한 자기 소자 및 커패시턴스의 혼합 통합도 포함됩니다.

3. 새 콘덴서

전력 공급 시스템을 위한 새로운 콘덴서와 초대형 콘덴서를 개발하다. 큰 커패시턴스, 작은 등가 저항 (ESR) 및 작은 볼륨이 필요합니다. 보도에 따르면 미국은 1990 년대 말 330 을 개발했다고 한다. 신형 고체 콘덴서로서, 그것의 동등한 직렬 저항이 현저히 떨어졌다.

역률 보정을 이용한 AC DC 스위칭 기술

높은 역률 AC DC 전원 공급 장치는 일반적으로 DC-DC 컨버터 앞에 전면 역률 보정기를 하나 더 추가하면 최소한 두 개의 마스터 스위치와 두 세트의 제어 및 구동 회로가 필요합니다. 따라서 저전력 스위칭 전원 공급 장치의 경우 전반적인 효율이 낮고 비용이 많이 듭니다.

입력 역률이 특별히 높지 않은 경우 PFC 와 변환기 조합 회로로 구성된 저전력 AC -DC 스위칭 전원 공급 장치는 하나의 마스터 스위치 파이프로 PF 를 0.8 이상으로 보정할 수 있습니다. 이를 단일 PF 보정 AC -DC 컨버터 (S4 라고 함) 라고 합니다. 예를 들어 격리된 S4PF 보정 AC/DC 변환기, DCM 이 작동하는 Boost 변환기를 선행 역률 보정기로, 역충격 변환기를 후면 조절기의 주 회로로 사용하여 CCM 또는 DCM 에 따라 작동합니다. 2 단 회로는 1 차 스위치 튜브를 공유합니다.

고주파 스위칭 전원 공급 장치의 전자기 호환성에 관한 연구.

고주파 스위칭 전원 공급 장치의 전자기 호환성은 고유 한 특성을 가지고 있습니다. 일반적으로 스위치 과정에서 발생하는 di/dt 및 dv/dt 를 포함하여 강한 전도 전자기 간섭 및 고조파 간섭을 일으킵니다. 경우에 따라 강한 전자기장 복사도 발생할 수 있습니다. 주변 전자기 환경을 심각하게 오염시킬 뿐만 아니라 인근 전기 장비에 전자기 간섭을 일으킬 뿐만 아니라 인근 운영자의 안전을 위태롭게 할 수도 있다. 동시에, 스위칭 전원 공급 장치 내부의 제어 회로도 주 회로 및 산업 응용 분야의 전자기 소음의 간섭을 견딜 수 있어야 합니다. 위의 특수성과 구체적인 측정난으로 인해 스위칭 전원 공급 장치의 전자기 호환성에 대한 연구는 아직 초기 단계에 있다. 분명히, 전자기 호환성 분야에서는 연구해야 할 학제 간 국경 과제가 많다. 예: 일반적인 회로 및 시스템의 근거리, 전도 간섭 및 방사선 간섭 모델링 인쇄 회로 기판 및 스위칭 전원 공급 장치의 전자기 호환성 최적화 설계 소프트웨어: 낮은 중간 주파수, 초음파, 고주파 자기장이 인체 건강에 미치는 영향 고전력 스위칭 전원 공급 장치의 전자기 호환성 측정 방법에 관한 연구

스위칭 전원 공급 장치 설계 및 테스트 기술

모델링, 시뮬레이션 및 CAD 는 새롭고 편리하며 경제적인 설계 도구입니다. 스위칭 전원 공급 장치를 시뮬레이션하려면 먼저 시뮬레이션 모델링을 수행해야 합니다. 시뮬레이션 모델에는 전력 전자 장치, 변환기 회로, 디지털 및 아날로그 제어 회로, 자기 요소 및 자기장 분포 모델, 회로 분포 매개변수 모델 등이 포함되어야 합니다. 또한 스위치 튜브의 열 모델, 신뢰성 모델 및 전자기 호환성 모델도 고려됩니다. 모델마다 차이가 크기 때문에 모델링의 발전 방향은 디지털-아날로그 혼합 모델링이어야 합니다. 혼합 계층 모델링 다양한 모델을 회로 모델과 유사한 통합 다중 계층 모델로 결합합니다 (상자 그림 등). ); 모형을 자동으로 생성하여 시뮬레이션 소프트웨어에 자동 모델링 기능을 제공하여 시간을 절약합니다. 이를 바탕으로 모델 라이브러리를 만들 수 있습니다.

스위칭 전원 공급 장치의 CAD 에는 주 회로 및 제어 회로 설계, 부품 선택, 매개변수 최적화, 자기 설계, 열 설계, EMI 설계 및 인쇄 회로 보드 설계, 안정성 예측, 컴퓨터 지원 통합 및 최적화 설계가 포함됩니다. 시뮬레이션 기반 전문가 시스템을 사용하여 CAD 스위칭 전원을 사용하면 설계된 시스템의 성능을 최적화하고, 설계 및 제조 비용을 절감하고, 제조 가능성 분석을 수행할 수 있으며, 2 1 세기 시뮬레이션 및 CAD 기술의 발전 방향 중 하나입니다. 현재 DC-DC 스위치 컨버터를 설계하는 전문가 시스템과 시뮬레이션용 MATSPICE 소프트웨어가 해외에서 개발되었다.

또한 스위칭 전원 공급 장치의 열 테스트, EMI 테스트 및 신뢰성 테스트의 개발, 연구 및 적용을 적극적으로 개발해야 합니다.

저전압 고전류 스위칭 전원 공급 장치 개발

(1) 저전압 고전류 스위칭 컨버터 요구 사항

데이터 처리 시스템의 속도와 효율성이 날로 향상되고 있다. 차세대 마이크로프로세서의 논리 전압은 1. 1~ 1.8V 까지 낮고 전류는 50~ 100A 에 달한다. 전원 공급 장치는 전압 조정기 모듈 (VRM) 이라고도 하는 저전압 고전류 출력 DC-DC 변환기 모듈입니다. 차세대 마이크로프로세서의 VRM 요구 사항은 낮은 출력 전압, 큰 출력 전류, 높은 전류 변화율, 빠른 응답 속도 등입니다.

① IC 의 전기장 강도와 전력 소비량을 줄이려면 마이크로프로세서의 전원 전압을 낮춰야 하므로 VRM 의 출력 전압은 기존 3V 에서 2V 이하로, 심지어 1v 까지 낮춰야 합니다.

② 런타임, 전원 입력 전류 >; 100A 기생 L 과 C 매개변수로 인해 전압 교란이 크므로 L 을 최소화해야 합니다.

③ 마이크로프로세서는 자주 가동과 정지를 하고, 휴면 상태에서 계속 가동하고 작동한 다음 휴면 상태로 들어간다. 따라서 VRM 전류가 0 에서 50A 로 갑자기 변하다가 갑자기 0 으로 떨어지고 전류 변화율이 5A/ns 에 도달해야 합니다.

④ 설계 시 교란 전압 ≤ 10%, 출력 전압은 2% 의 변화를 허용해야 합니다.

(2) 파형 인터리빙 기술의 사용.

회로의 기생 임피던스, 콘덴서의 ESR 및 ESL 은 부하 변화 시 VRM 의 전압 조정에 큰 영향을 미칩니다. 고주파, 고전력 밀도, 고속의 새로운 전압 조절 모듈을 개발할 필요가 있다. 현재 동기식 정류기 벅 컨버터 (스위치 다이오드 대신 전력 MOS 튜브 사용) 와 같은 다양한 토폴로지가 있습니다. 전류가 크게 변할 때 고주파 기생 매개변수가 출력 전압을 교란하는 것을 막기 위해 문헌에서는 다중 입력 채널 또는 다상 DC-DC 컨버터를 사용하여 VRM 출력 리플이 작도록 인터리빙 기술을 적용하고 출력 과도 응답을 개선하며 출력 필터 인덕터와 콘덴서를 줄이는 방법을 설명합니다.

(3) 전압 리플 및 충격 전압.

① 전압 리플과 ESR. 전압이 1V 이하인 경우 전류가 100A 이상인 부하의 경우 부하 저항이 10mω 이하이고 필터 커패시턴스의 내부 등가 직렬 저항보다 낮으면 전압 리플 문제가 발생합니다. 이제 이 전원 공급 장치가 승압 또는 승압 변환기로 구현될 수 있다고 가정해 보겠습니다. 그러나 콘덴서를 통과하는 리플 전류는 100A 보다 50% 미만 효율적입니다. 이와 관련하여 압력 강하 변환기에는 리플 전류를 억제할 수 있는 직렬 필터 인덕터가 포함되어 있습니다. 그러나 부하 저항은 ESR 에 해당하며, 리플 전류는 각각 커패시턴스와 부하를 통과하며 전류 필터 회로와는 다르게 작동합니다.

리플 전압의 작동 방식을 논의하기 위해 시뮬레이션을 위해 등가 회로가 제공됩니다. Crc 의 값에 따라 시뮬레이션에는 네 가지 리플 전압이 있습니다. 전압 리플 값과 RC/R 의 관계 곡선에도 네 가지 동작 모드가 있습니다. C 가 클수록 리플률이 작아집니다. 저전압 고전류의 출력 전압 리플, 즉 필터 커패시턴스의 ESR 값을 더 낮추려면 특정 방법 및 전략이 필요합니다.

② 부하 돌연변이로 인한 충격 전압. 디지털 회로의 부하의 경우 다양한 모드의 변환에 신속하게 응답하기 위해 출력 전압은 부하 변화의 일시적인 응답 특성에 해당합니다. 이때 전류의 변화율이 크고 펄스 생성 시간이 스위치 주기 Ts 보다 짧으면 피드백으로 인한 출력 전압 안정화 효과를 기대하기 어렵다. 현재 기술은 아직 방법이 없어 시뮬레이션 연구 단계에 있다.

(4) 필터 커패시턴스를 생략 할 가능성을 탐구하십시오.

출력 전압이 부하 돌연변이로 인해 변동하고 변동 기간이 스위치 주기를 초과하는 경우 LC 필터 회로가 이러한 전압 조정 효과에 결정적인 역할을 하는 피드백을 통해 어느 정도 조정할 수 있습니다. 압력 조절 목적을 달성하기 위해서는 스위치 주파수를 높이고 L 과 C 의 값을 낮추어 컷오프 주파수를 가능한 높은 도메인으로 확장해야 합니다. 어떤 사람들은 두 개의 비대칭 인버터 (변압기 포함) 를 사용하여 2 상 구형파를 출력하는 것을 고려하는데, 각 인버터의 출력 전압은 반파 정류를 통해 동일한 부하에 연결되어 차단 주파수를 높은 도메인 끝까지 연장한다.

스위치 빈도는 MOSFET 의 스위치 시간에 의해 결정됩니다. 스위치 효율을 높이고 한계를 초과하기 위해 실제로 다상 스위치를 사용하여 스위치 주파수를 동등하게 높일 수 있습니다. 그러나 단계의 수도 제한되어 있다. 또한 변화의 원인은 부하측일 뿐이므로 차단 주파수가 가능한 낮은 것도 효과적이다. 이 목표를 달성하기 위해 이중층 용량 필터를 사용하는 것이 미래의 발전 방향일 수 있다. 물론, 이중층 커패시터의 등가 직렬 저항과 등가 직렬 인덕턴스를 동시에 줄이는 방법을 고려해야 한다.

(5) 휴대용 장비 및 연료 전지

전원 공급 장치는 노트북, 휴대폰, 디지털 카메라 등 휴대용 기기에 가장 문제가 되는 부분이다. 휴대용 장치의 전원은 항상 기존 배터리에 기반을 두고 있으며 휴대성과 장기간 사용에 있어서 사용자의 요구를 완전히 충족시킬 수 없습니다. 이에 따라 고체 고분자 재료로 만든 연료 전지가 최근 눈길을 끌고 있다. 연료 전지는 메탄올을 연료로, 텅스텐을 촉매제로, 구조는 전극 사이의 전해질막으로, 에너지 밀도는 리튬 배터리의 10 배에 달한다. 100 C 이하 작동 온도에는 상온 발전이 포함되며, 단일 절전압은 약 1~2V 입니다. 수소는 원래 가장 이상적인 연료였지만 실용적인 관점에서 볼 때 메탄올과 백금 촉매의 조합이 더 편리하다. 그러나 부하 변화를 따르는 데 문제가 있으므로 전극을 보호하기 위해 콘덴서와 함께 사용해야 합니다.

연료 전지의 장점은 유지 관리가 편리하고 장기간 사용할 수 있다는 것이다. 전기가 부족할 때는 연료를 보충하기만 하면 되고, 장시간 충전할 필요가 없다.

저전압 고전류 스위칭 전원 공급 장치에서 스위칭 전원 공급 장치의 향후 기술 발전 방향에 대해 논의했습니다. 무어의 법칙에 따르면 IC 의 통합도는 18 개월마다 2 배 증가하기 때문에 전압이 어느 정도로 떨어질 지 결정하기가 어렵다. 이러한 추세가 무기한 지속된다면 전원 공급 장치에 대한 수요가 갈수록 높아질 것으로 예상된다. 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 먼저 새로운 반도체 및 용량 개발이 전제이며, 회로 관점에서 구성 요소의 미세 구조 모델을 구축하는 것도 문제 해결의 관건이 될 수 있습니다. 이에 따라 앞으로 학과의 경계를 깨고 다단계 협력 연구를 해야 할 필요성이 커지고 있다.

저전압 고전류 DC-DC 컨버터 모듈