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開關電源技術發展（zhǎn）的十個關注點
上世紀60年代，開關電源的問世，使（shǐ）其（qí）逐步取代了線性穩（wěn）壓電源和SCR相控電源。40多年來，開關電源技術有了（le）飛迅發展和變化，經曆了功率半導體器件、高頻化和軟（ruǎn）開關技術、開（kāi）關電源係統的集成技術三個發展階段。

　　功率半導體器件從雙極（jí）型器件(BPT、SCR、GTO)發（fā）展為MOS型器件(功率MOSFET、

　　IGBT、IGCT等)，使電力電子係統有可能實現高（gāo）頻化（huà），並大幅度降低導通損耗，電路也（yě）更為簡單。

　　自上世紀80年代（dài）開始，高頻化和軟開關技術的開（kāi）發研究，使功（gōng）率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。高頻化和軟開關技術是過去20年國際電力電（diàn）子界研究的熱點之一。

　　上世紀90年代中期，集成電力電子係統和集成電（diàn）力電子模（mó）塊(IPEM)技術開始發展（zhǎn），它是當今國際電力電子界亟待解決的新問題之一。

　　關注點一：功率半導（dǎo）體器件性能

　　1998年，INFINEON公司推出冷MOS管（guǎn），它采用“超級結”(Super-Junction)結構，故又稱超結功（gōng）率MOSFET。工（gōng）作（zuò）電壓600V～800V，通態電阻幾乎降低了一個數量級，仍保持開關速度快的特點，是一種有發展前途的高頻功率半導體器件。

　　IGBT剛出現時，電壓、電流額定值隻有600V、25A。很長一段（duàn）時間內，耐壓水平限於（yú）1200V～1700V，經過長時間的探索研究和改進，現在IGBT的電壓、電流額定值已（yǐ）分別達到3300V/1200A和4500V/1800A，高壓IGBT單片耐壓已達到6500V，一般IGBT的工作頻率上限為20kHz～40kHz，基於穿通（tōng）(PT)型結構應用新技術製造的IGBT，可工作於150kHz(硬開關)和300kHz(軟開關)。

　　IGBT的技術進（jìn）展實際上是通態壓降，快（kuài）速開關和高耐壓能力三者的折中。隨著工藝和結構形式（shì）的不同，IGBT在20年曆史發展進程中，有以下幾種（zhǒng）類（lèi）型：穿（chuān）通(PT)型、非穿通（tōng）(NPT)型、軟穿通(SPT)型、溝漕（cáo）型和電場截止(FS)型。

　　碳化矽SiC是功率（lǜ）半導體器件晶片的理想材料，其（qí）優（yōu）點是：禁帶（dài）寬、工作溫度高（gāo）(可達（dá）600℃)、熱（rè）穩（wěn）定性好、通態電阻小、導熱性能好、漏電流極小、PN結耐壓高等，有利於製造出耐（nài）高溫（wēn）的高頻大功率半導體器件。

　　可以預見（jiàn），碳化矽將是21世紀*可能成功應用的新型功率半導體（tǐ）器件材料（liào）。

　　關注點二：開關電源功率密度

　　提（tí）高開關電源的功率密度，使之小型化、輕量化，是（shì）人們不斷努力（lì）追求的目標。電源的高頻化是（shì）國際電力電子界研究的熱點之一。電源的小型（xíng）化、減輕重量對便攜式電子設備(如移動電話，數字相（xiàng）機等)尤為重（chóng）要。使開關電源小型化的具體辦法（fǎ）有（yǒu）：

　　一是高頻化。為（wéi）了實現電源高功率密度，必須提高PWM變（biàn）換（huàn）器的工作頻（pín）率、從而減小電路（lù）中儲能元件的體積重量。

　　二是應用壓電（diàn）變壓器。應用壓電變壓器（qì）可使高頻功率變換器（qì）實現（xiàn）輕、小、薄和（hé）高功率密度。

　　壓電變（biàn）壓器利（lì）用壓電陶瓷材料特有的“電壓-振動”變換（huàn）和“振動-電壓”變換的（de）性質傳送能量，其等效電路如（rú）同一個串並聯諧振電路，是功率變換領域的研究（jiū）熱點之一。

　　三是采用新（xīn）型電容器。為了減小電力電子設備的體積和重量，必須設（shè）法改進電（diàn）容（róng）器的（de）性能，提高能量密度，並研究開發適合於電力電子及電源係統用的新型電（diàn）容器，要（yào）求電容量大、等效串聯電阻ESR小、體積（jī）小等。

  　關注點三：高頻磁與同步整流技術

　　電源係統中應用大量磁元件，高頻（pín）磁元件的材料、結構和性能都（dōu）不同於（yú）工頻磁元件（jiàn），有許多（duō）問題需（xū）要研（yán）究。對高（gāo）頻磁元件所用（yòng）磁性材料有如下（xià）要求：損耗小，散熱性能好，磁性能優越。適用於（yú）兆（zhào）赫（hè）級頻率的磁性材料為人們所關注，納米結晶軟磁材料也已開發應用。

　　高頻化以後，為了提高開關（guān）電源的效（xiào）率，必須開發和應用軟開關技術。它是（shì）過去幾十（shí）年國際（jì）電源界的一個研究熱點。

　　對於低電壓、大電流輸出的軟開關變換器，進一步提高其效率的措施是設法降（jiàng）低開關的通態損耗。例如同（tóng）步整流SR技術，即以功率MOS管反接作為整流用開關二極管，代替蕭特基二極管（guǎn）(SBD)，可降低（dī）管壓降，從而提高（gāo）電路效率。

　　關注點四：分布電源結構

　　分布電源係統適合於用作超高速集成電路組成的大型工作站(如圖（tú）像處理站（zhàn）)、大（dà）型數（shù）字電子（zǐ）交換係（xì）統等的（de）電源，其優點是：可實現DC/DC變換器組件模塊化；容易（yì）實（shí）現N+1功率冗餘（yú），提高係統可*性；易於擴增負載容量；可降（jiàng）低（dī）48V母線上的電流和電壓降；容易（yì）做到熱分布均勻、便於散熱設計；瞬態響應好；可在線更換失效模塊等。

　　現在分布電源（yuán）係（xì）統有兩種結構類型，一是兩級結構，另一種（zhǒng）是三級結構。

　　關注點五：PFC變換器

　　由於AC/DC變（biàn）換電路的輸入（rù）端有整流元件和（hé）濾波電容，在正弦電壓輸入時（shí），單相整流電源供電的（de）電子設備（bèi），電網側(交流輸入端)功（gōng）率因數僅為0.6～0.65。采用PFC(功（gōng）率因數（shù）校正)變換器，網側功率因數可提高到0.95～0.99，輸入（rù）電流THD小於10%。既治理了電網的諧波（bō）汙染，又提高了電源的整體效（xiào）率。這一技（jì）術稱為有源功率因數校正APFC單相APFC國內外開發較早，技術已較成熟；三相APFC的拓撲類型（xíng）和控製策略（luè）雖然已（yǐ）經有很多種，但還有待繼續（xù）研究發展。

　　一般高功率因數AC/DC開關電源，由兩（liǎng）級拓撲組成，對於小功率AC/DC開關電源來（lái）說，采用兩級拓撲結構（gòu）總體效率低、成（chéng）本高。

　　如果對輸入端功率因數要求不（bú）特別高時，將PFC變換器和後級（jí）DC/DC變（biàn）換器組合成一個拓撲，構成單級高功率因數（shù）AC/DC開關電源，隻用一個主開關管，可使功率因數校正到0.8以上，並使輸出直流電壓可調，這（zhè）種拓撲結（jié）構（gòu）稱為單管單級即S4PFC變換器。

　　關注點六：電壓調節器（qì）模塊VRM

　　電壓調節器（qì）模（mó）塊是一類低電壓、大電流輸出DC-DC變換器模塊，向微處理器提供電源。現在數據（jù）處理係統的速度和效率日益提高，為降低微（wēi）處理器IC的（de）電場強度和功耗，必須降低邏輯電壓，新一代微處理器的邏輯電壓已降低至1V，而電流則高達50A～100A，所以對VRM的要（yào）**：輸出電壓很低、輸出電流大、電（diàn）流變化率高、快速（sù）響應（yīng）等。

　　關注點七：全數字化控製

　　電源的控製已經由模擬控製（zhì），模數混合控製，進入到全數字控製階段。全數字控製是一（yī）個新的發展趨勢（shì），已經在許多功率變（biàn）換設備中得到應用。

　　但是過去數字控（kòng）製在DC/DC變換器中用得較少（shǎo）。近兩（liǎng）年來，電源（yuán）的高性能全數字控製芯片已經開發，費用也已降到比較合理的水平（píng），歐美已有多家（jiā）公司開發並（bìng）製造（zào）出開關變換器（qì）的數字控製芯片及軟件。

　　全數字控（kòng）製的優點是：數字信號與混合模數（shù）信號相比（bǐ）可以標定更小的量，芯（xīn）片價格也更低廉；對電流檢測誤差可以進行**的數字校正，電壓檢測也更**；可以實現快速（sù），靈活的控製設計。

　　關注點八：電磁兼容性（xìng）

　　高頻開關電源的電磁（cí）兼容EMC問題（tí）有其特殊性。功率半導體開關管在開關過程中產生的di/dt和（hé）dv/dt，引起強（qiáng）大的傳導電磁幹擾（rǎo）和諧波幹擾。有些（xiē）情況還會引（yǐn）起強（qiáng）電磁場(通常是近場)輻射。不但嚴重汙染（rǎn）周圍電磁環境（jìng），對附近的電氣設備造成電磁幹擾，還可能危及附近操作人員的**。同時，電力電子（zǐ）電路(如開關變換器)內部的控製電路也必須能承受（shòu）開關動作產（chǎn）生（shēng）的EMI及應用現場電磁噪聲的幹擾。上述特殊性，再加上EMI測量上的具（jù）體困難，在電（diàn）力電子的電磁兼容領域裏，存在著許多交*科學（xué）的前沿課題有待人們研究。國內外許多大學均（jun1）開展了電力電子電（diàn）路的電磁（cí）幹擾和電（diàn）磁兼容性問題的研究，並取得了不少可喜成果。近幾年研究成果表明，開關變換器（qì）中（zhōng）的電磁噪音源，主要來（lái）自主開（kāi）關器件的開關作用（yòng）所（suǒ）產（chǎn）生的電壓、電流變化。變化速度越快，電磁噪（zào）音越大。

　　關注點九：設計和測試技術

　　建模、仿真和CAD是一種新的設計工具。為仿真電源係統（tǒng），首先要建立仿真模型，包括電力電子器件（jiàn）、變換器電路、數字（zì）和模擬控製電路以及磁元件和磁場分布（bù）模型等，還要考慮開關管的熱模型、可*性模型和EMC模型。各種模型差別很大，建（jiàn）模的（de）發展方向是：數字-模擬混合建模、混合層次建模以及將各種模型組成一個統一的多層（céng）次模型等。

　　電源係統的（de）CAD，包括主電路和（hé）控製電路（lù）設計、器件選擇、參數*優化（huà）、磁（cí）設計、熱設計、EMI設計和印（yìn）製電路（lù）板設（shè）計、可*性預估、計算（suàn）機輔助綜合和優（yōu）化（huà）設計等。用基於仿真（zhēn）的專家係統進行電源係統的CAD，可使所設計的係統（tǒng）性能*優，減少設（shè）計製造費用，並能做可（kě）製造性分析，是（shì）21世紀仿真和CAD技術的發展方向（xiàng）之一。此外，電（diàn）源係統（tǒng）的熱測試、EMI測試、可*性測試等技術（shù）的開發、研究與應用也（yě）是應大力發展的。

　　關注點十：係統集成技術

　　電源設備的製（zhì）造（zào）特點是：非標準件（jiàn）多（duō）、勞動強度大、設計周期長、成本高、可（kě）*性低等（děng），而用戶要求製造廠生（shēng）產的電源產品（pǐn）更加實（shí）用、可*性（xìng）更高、更輕小、成（chéng）本更低。這些情況使（shǐ）電源製造廠家承受巨大壓力，迫切需要開展集（jí）成電源模塊的研究開發，使電源產品的標準化、模（mó）塊化、可製造性、規模生產、降低（dī）成本（běn）等目標得以實現。

　　實際上，在電源集成（chéng）技術的發展（zhǎn）進（jìn）程中（zhōng），已經經曆了電力半導體器件模塊（kuài）化，功率與控製電路的集成化（huà），集成無源元件(包括磁集成技術)等發展階段（duàn）。近年來的發（fā）展（zhǎn）方向是將小（xiǎo）功率電源係統集成在一個芯片上，可以使電源產品更為緊湊，體積（jī）更小，也減小（xiǎo）了（le）引線長度，從而減小了寄生參數。在此基礎上，可以實現一體化，所有元器件連同控製保護集成在（zài）一個（gè）模塊中。

　　上世紀90年代，隨著大規模（mó）分布電源係統的發展，一體化的設計觀念被推廣到更大容量、更高電壓（yā）的電源係（xì）統集成，提高了集成度，出現了集成（chéng）電力電子模塊(IPEM)。IPEM將功率器件（jiàn）與（yǔ）電路、控（kòng）製以及檢測、執行等元件集成封裝（zhuāng），得到標準的，可製造的模塊，既可用於標準設計，也可用於專用、特殊設計。優點是可快速高效為用（yòng）戶提供產品，顯（xiǎn）著降（jiàng）低成本，提高可*性。

　　總之，電源係統集（jí）成是當（dāng）今國際電力電子界亟待解決（jué）的新問題之一（yī）。
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