中心議題：

• 介紹開關電源技術的三個發展階段
• 詳細列舉開關電源技術發展的十個關注點

解決方案：

• 采用碳化矽SiC作為功率半導體器件晶片
• 使開關電源小型化的三個辦法是高頻化
  
  、應用壓電變壓器、采用新型電容器
• 開發和應用軟開關技術
  ，提高開關電源的效率

上世紀60年代，開關電源的問世


，使其逐步取代了線性穩壓電源和SCR相控電源。40多年來
，開關電源技術有了飛迅發展和變化

，經曆了功率半導體器件、高頻化和軟開關技術、開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型器件(BPT

、SCR、GTO)發展為MOS型器件(功率MOSFET、IGBT
、IGCT等)
，使電力電子係統有可能實現高頻化
，並大幅度降低導通損耗，電路也更為簡單。

自上世紀80年代開始，高頻化和軟開關技術的開發研究
，使功率變換器性能更好
、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力電子模塊(IPEM)技術開始發展，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：功率半導體器件性能
1998年，Infineon公司推出冷mos管，它采用"超級結"(Super-Junction)結構，故又稱超結功率MOSFET。工作電壓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。很長一段時間內，耐壓水平限於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(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的技術進展實際上是通態壓降，快速開關和高耐壓能力三者的折中。隨著工藝和結構形式的不同
，IGBT在20年曆史發展進程中，有以下幾種類型：穿通(PT)型
、非穿通(NPT)型、軟穿通(SPT)型、溝漕型和電場截止(FS)型。

碳化矽SiC是功率半導體器件晶片的理想材料，其優點是：禁帶寬
、工作溫度高(可達600℃)、熱穩定性好、通態電阻小、導熱性能好
、漏電流極小、PN結耐壓高等
，有利於製造出耐高溫的高頻大功率半導體器件。

可以預見，碳化矽將是21世紀最可能成功應用的新型功率半導體器件材料。

關注點二：開關電源功率密度
提高開關電源的功率密度，使之小型化
、輕量化
，是人們不斷努力追求的目標。電源的高頻化是國際電力電子界研究的熱點之一。電源的小型化
、減輕重量對便攜式電子設備(如移動電話

，數字相機等)尤為重要。使開關電源小型化的具體辦法有：

一是高頻化。為了實現電源高功率密度，必須提高PWM變換器的工作頻率
、從而減小電路中儲能元件的體積重量。

二是應用壓電變壓器。應用壓電變壓器可使高頻功率變換器實現輕
、小、薄和高功率密度。壓電變壓器利用壓電陶瓷材料特有的"電壓-振動"變換和"振動-電壓"變換的性質傳送能量
，其等效電路如同一個串並聯諧振電路，是功率變換領域的研究熱點之一。

三san是shi采cai用yong新xin型xing電dian容rong器qi。為wei了le減jian小xiao電dian力li電dian子zi設she備bei的de體ti積ji和he重zhong量liang，必bi須xu設she法fa改gai進jin電dian容rong器qi的de性xing能neng，提ti高gao能neng量liang密mi度du
，並bing研yan究jiu開kai發fa適shi合he於yu電dian力li電dian子zi及ji電dian源yuan係xi統tong用yong的de新xin型xing電dian容rong器qi，要yao求qiu電dian容rong量liang大da
、等效串聯電阻ESR小


、體積小等。

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，高頻磁元件的材料

、結構和性能都不同於工頻磁元件，有許多問題需要研究。對高頻磁元件所用磁性材料有如下要求：損耗小，散熱性能好

，磁性能優越。適用於兆赫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，為了提高開關電源的效率，必須開發和應用軟開關技術。它是過去幾十年國際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低開關的通態損耗。例如同步整流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(SBD)，可降低管壓降
，從而提高電路效率。

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(如圖像處理站)、大型數字電子交換係統等的電源，其優點是：可實現DC/DC變換器組件模塊化;容易實現N+1功率冗餘，提高係統可*性;易於擴增負載容量;可降低48V母線上的電流和電壓降;容易做到熱分布均勻

、便於散熱設計;瞬態響應好;可在線更換失效模塊等。

現在分布電源係統有兩種結構類型，一是兩級結構
，另一種是三級結構。

關注點五：PFC變換器
由於AC/DC變換電路的輸入端有整流元件和濾波電容
，在正弦電壓輸入時，單相整流電源供電的電子設備，電網側(交流輸入端)功率因數僅為0.6～0.65。采用PFC (功率因數校正)變換器，網側功率因數可提高到0.95～0.99，輸入電流THD小於10%。既治理了電網的諧波汙染

，又提高了電源的整體效率。這一技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的拓撲類型和控製策略雖然已經有很多種，但還有待繼續研究發展。

一般高功率因數AC/DC開關電源，由兩級拓撲組成，對於小功率AC/DC開關電源來說
，采用兩級拓撲結構總體效率低

、成本高。

如果對輸入端功率因數要求不特別高時
，將PFC變換器和後級DC/DC變換器組合成一個拓撲，構成單級高功率因數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，這種拓撲結構稱為單管單級即S4PFC變換器。

關注點六：電壓調節器模塊VRM
電壓調節器模塊是一類低電壓、大電流輸出DC-DC變換器模塊，向微處理器提供電源。

現在數據處理係統的速度和效率日益提高，為降低微處理器IC的電場強度和功耗，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的要求是：輸出電壓很低、輸出電流大
、電流變化率高
、快速響應等。

關注點七：全數字化控製
dianyuandekongzhiyijingyoumonikongzhi，moshuhunhekongzhi，jinrudaoquanshuzikongzhijieduan。quanshuzikongzhishiyigexindefazhanqushi
，yijingzaixuduogonglvbianhuanshebeizhongdedaoyingyong。

但是過去數字控製在DC/DC變bian換huan器qi中zhong用yong得de較jiao少shao。近jin兩liang年nian來lai
，電dian源yuan的de高gao性xing能neng全quan數shu字zi控kong製zhi芯xin片pian已yi經jing開kai發fa
，費fei用yong也ye已yi降jiang到dao比bi較jiao合he理li的de水shui平ping，歐ou美mei已yi有you多duo家jia公gong司si開kai發fa並bing製zhi造zao出chu開kai關guan變bian換huan器qi的de數shu字zi控kong製zhi芯xin片pian及ji軟ruan件jian。

全數字控製的優點是：數字信號與混合模數信號相比可以標定更小的量
，芯片價格也更低廉;對電流檢測誤差可以進行精確的數字校正
，電壓檢測也更精確;可以實現快速，靈活的控製設計。

關注點八：電磁兼容性
高頻開關電源的電磁兼容EMC問題有其特殊性。功率半導體開關管在開關過程中產生的di/dt和dv/dt

，引起強大的傳導電磁幹擾和諧波幹擾。有些情況還會引起強電磁場(通常是近場)輻射。不但嚴重汙染周圍電磁環境，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安全。同時
，電力電子電路(如開關變換器)內部的控製電路也必須能承受開關動作產生的EMI及應用現場電磁噪聲的幹擾。上述特殊性
，再加上EMI測量上的具體困難
，在電力電子的電磁兼容領域裏，存在著許多交*科ke學xue的de前qian沿yan課ke題ti有you待dai人ren們men研yan究jiu。國guo內nei外wai許xu多duo大da學xue均jun開kai展zhan了le電dian力li電dian子zi電dian路lu的de電dian磁ci幹gan擾rao和he電dian磁ci兼jian容rong性xing問wen題ti的de研yan究jiu，並bing取qu得de了le不bu少shao可ke喜xi成cheng果guo。近jin幾ji年nian研yan究jiu成cheng果guo表biao明ming，開kai關guan變bian換huan器qi中zhong的de電dian磁ci噪zao音yin源yuan，主zhu要yao來lai自zi主zhu開kai關guan器qi件jian的de開kai關guan作zuo用yong所suo產chan生sheng的de電dian壓ya、電流變化。變化速度越快，電磁噪音越大。

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，首先要建立仿真模型，包括電力電子器件、變換器電路、數字和模擬控製電路以及磁元件和磁場分布模型等
，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，建模的發展方向是：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次模型等。

電源係統的CAD，包括主電路和控製電路設計、器件選擇、參數最優化
、磁設計
、熱設計、EMI設計和印製電路板設計
、可*性預估
、計算機輔助綜合和優化設計等。用基於仿真的專家係統進行電源係統的CAD
，可使所設計的係統性能最優，減少設計製造費用
，並能做可製造性分析，是21世紀仿真和CAD 技術的發展方向之一。此外，電源係統的熱測試、EMI測試、可*性測試等技術的開發、研究與應用也是應大力發展的。

關注點十：係統集成技術
電源設備的製造特點是：非標準件多、勞動強度大、設計周期長、成本高

、可*性低等，而用戶要求製造廠生產的電源產品更加實用、可*性更高、更輕小、成本更低。這些情況使電源製造廠家承受巨大壓力，迫切需要開展集成電源模塊的研究開發，使電源產品的標準化、模塊化、可製造性、規模生產、降低成本等目標得以實現。 實際上

，在電源集成技術的發展進程中，已經經曆了電力半導體器件模塊化，功率與控製電路的集成化，集成無源元件(包括磁集成技術)等(deng)發(fa)展(zhan)階(jie)段(duan)。近(jin)年(nian)來(lai)的(de)發(fa)展(zhan)方(fang)向(xiang)是(shi)將(jiang)小(xiao)功(gong)率(lv)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)集(ji)成(cheng)在(zai)一(yi)個(ge)芯(xin)片(pian)上(shang)
，可(ke)以(yi)使(shi)電(dian)源(yuan)產(chan)品(pin)更(geng)為(wei)緊(jin)湊(cou)，體(ti)積(ji)更(geng)小(xiao)
，也(ye)減(jian)小(xiao)了(le)引(yin)線(xian)長(chang)度(du)，從(cong)而(er)減(jian)小(xiao)了(le)寄(ji)生(sheng)參(can)數(shu)。在(zai)此(ci)基(ji)礎(chu)上(shang)，可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)一(yi)體(ti)化(hua)
，所(suo)有(you)元(yuan)器(qi)件(jian)連(lian)同(tong)控(kong)製(zhi)保(bao)護(hu)集(ji)成(cheng)在(zai)一(yi)個(ge)模(mo)塊(kuai)中(zhong)。

上世紀90年代，隨著大規模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
、更高電壓的電源係統集成，提高了集成度，出現了集成電力電子模塊(IPEM)。IPEM將功率器件與電路、控製以及檢測
、執行等元件集成封裝，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戶提供產品，顯著降低成本
，提高可靠性。

總之，電源係統集成是當今國際電力電子界亟待解決的新問題之一。