未來的開關電源將是什么樣子
一、強大的市場需求，始終是開關電源|穩(wěn)壓器發(fā)展的重要動力 開關電源技術屬于電力電子技術，它運用功率變換器進行電能變換，經過變換電能，可以滿足各種用電要求。
由于其高效節(jié)能可帶來巨大經濟效益，因而引起社會各方面的重視而得到迅速推廣。
以AC-DC的變換為例，與傳統(tǒng)采用工頻變換技術的相控電源相比，采用大功率開關管的高頻整流電源，在技術上是一次飛躍，它不但可以方便地得到不同的電壓等級，更重要的是甩掉了體大笨重的工頻變壓器及濾波電感電容。由于采用高頻功率變換，使電源裝置顯著減小了體積和重量，而有可能和設備的主機體積相協(xié)調，并且使電性能得到進一步提高。
正因為如此，1994年我國原郵電部作出重大決策，要求通信領域推廣使用開關電源以取代相控電源。幾年來的實踐已經證明，這一決策是完全正確的。開關電源的使用為國家節(jié)省了大量銅材、鋼材和占地面積。由于變換效率提高，能耗減少，降低了電源周圍環(huán)境的室溫，改善了工作人員的環(huán)境。我國郵電通信部門廣泛采用開關電源極大地推動了它在其它領域的廣泛應用。
值得指出的是，近兩年來出現(xiàn)的電力系統(tǒng)直流操作電源，是針對國家投資4000億元用于城網、農網的供電工程改造、提高輸配電供電質量而推出的，它已開始采用開關電源以取代傳統(tǒng)的相控電源。國內一些通信公司如中興通訊等均已相繼推出系列產品。
目前，國內開關電源自主研發(fā)及生產廠家有300多家，形成規(guī)模的有十多家。國產開關電源已占據了相當市場，一些大公司如中興通訊自主開發(fā)的電源系列產品已獲得廣泛認同，在電源市場競爭中頗具優(yōu)勢，并有少量開始出口。
二、21世紀開關電源的發(fā)展展望 能源在社會現(xiàn)代化方面起著關鍵作用。電力電子技術以其靈活的功率變換方式，高性能、高功率密度、高效率，在21世紀必將得到大力發(fā)展，而開關電源是電力電子技術中占有很大比重的一個重要方面。
1.半導體和電路器件是開關電源發(fā)展的重要支撐 功率半導體器件仍然是電力電子技術發(fā)展的“龍頭”，電力電子技術的進步必須依靠不斷推出的新型電力電子器件。 功率場效應管（MOSFET）由于單極性多子導電，顯著地減小了開關時間，因而很容易地便可達到1MHz的開關工作頻率而受到世人矚目。但是MOSFET，提高器件阻斷電壓必須加寬器件的漂移區(qū)，結果使器件內阻迅速增大，器件的通態(tài)壓降增高，通態(tài)損耗增大，所以只能應用于中小功率產品。為了降低通態(tài)電阻，美國IR公司采用提高單位面積內的原胞個數的方法。如IR公司開發(fā)的一種HEXFET場效應管，其溝槽（Tre
nch）原胞密度已達每平方英寸1.12億個的世界最高水平，通態(tài)電阻R可達3mΩ。功率MOSFET，500V、TO220封裝的HEXFET自1996年以來，其通態(tài)電阻以每年50%的速度下降。IR公司還開發(fā)了一種低柵極電荷（Qg）的HEXFET，使開關速度更快，同時兼顧通態(tài)電阻和柵極電荷兩者同時降低，則R×Qg的下降率為每年30%。對于肖特基二極管的開發(fā)，最近利用Trench結構，有望出現(xiàn)壓降更小的肖特基二極管，稱作TMBS-溝槽MOS勢壘肖特基，而有可能在極低電源電壓應用中與同步整流的MOSFET競爭。
作為半導體器件的硅材料“統(tǒng)治”半導體器件已50年有余，硅性能潛力的進一步挖掘是有難度的。有關半導體器件材料的研究從70年代開始，特別是80～90年代以來，砷化鎵（GaAs）、半導體金剛石、碳化硅（SiC）的研究始終在進行著。進入90年代以后，對碳化硅的研究達到了熱點。實驗表明，應用SiC的半導體器件其導通電阻只有Si器件的1/200；如電壓較高的硅功率MOSFET，導通壓降達3～4V，而SiC功率MOSFET，導通壓降小于1V，而關斷時間小于10ns。實驗表明，電壓達300V的SiC肖特基二極管（另一電極用金、鈀、鈦、鈷均可），反向漏電流小于0.1mA/mm，而反向恢復時間幾乎為零。
一段時間曾認為砷化鎵很有希望取代硅半導體材料�，F(xiàn)在實驗表明，碳化硅材料性能更優(yōu)越。SiC的研究所以滯后于GaAs，主要原因是SiC晶體的制造難度太大，當溫度大于2000℃時，SiC尚未熔化，但到了2400℃時SiC已升華變成氣體了�，F(xiàn)在是利用升華法直接從氣體狀態(tài)生長晶體，目前的問題是要進一步改善SiC表面與金屬的接觸特性和進一步完善SiC的制造工藝，這些問題預計在5～10年內得到解決。當應用SiC制造的半導體器件得到廣泛應用時，對電力電子技術的影響將會是革命性的。變壓器是電力電子產品或開關電源中重要的必不可少的部件，平面變壓器是近兩年才面世的一種全新產品。與常規(guī)變壓器不同，平面變壓器沒有銅導線，代之以單層或多層印刷電路板，因而厚度遠低于常規(guī)變壓器，能夠直接制作在印刷電路板上。其突出優(yōu)點是能量密度高，因而體積大大縮小，相當于常規(guī)變壓器的20%；效率高，通常為97%～99%；工作頻率高，從50kHz到2MHz；低漏感（小于0.2%）；低電磁干擾（EMI）等。 變壓器是應用電能→機械能→電能的一種新型變壓器，它是利用壓電陶瓷電致伸縮的正向和反向特性而制成的。兩片壓電陶瓷緊密牢固地結合在一起，將原邊交變電壓加于一片壓電陶瓷的水平軸線，這片壓電陶瓷將產生垂直方向的機械振動而使另一片牢固結合的壓電陶瓷跟著一起作垂直振動，此時將在其水平軸線方向產生電壓次級輸出電壓。目前這種變壓器功率還不大，適用于電壓較高而電流較小的應用場合，如照明燈具的起輝裝置。超容電容器是電容器件近年來的最新進展，美國的麥克韋爾公司一直保持著超容電容技術的世界領先地位。超容電容器采用了獨特的金屬/碳電極技術和先進的非水電解質，具有極大的電極表面和極小的相對距離。現(xiàn)在已開發(fā)生產出多種具有廣泛適用范圍的超容電容器單元和組件，單元容量小到10F，大到2700F。超容電容器可方便地串聯(lián)組合成高壓組件或并聯(lián)組合成高能量存儲組件。超容電容器組件現(xiàn)已可提供650V的高壓高能量應用。 超容電容器具有廣泛的應用前景。使用超容電容器可以使半導體、造紙、紡織等各種工業(yè)高度自動化的制造系統(tǒng)免受電力波動或短暫中斷所造成的巨大損失；超容電容器能為醫(yī)院或公用事業(yè)單位等在必須使用應急發(fā)電機電源時，提供過渡電源，構成短期不間斷電源。對于新型電能車或混合電能車，超容電容器可作為電池的補充甚至替代物。 2.電路集成和系統(tǒng)集成及封裝工藝 電力電子產品或電路的發(fā)展方向是模塊化、集成化。具有各種控制功能的專用芯片，近幾年發(fā)展很迅速，如功率因數校正（PFC）電路用的控制芯片；軟開關控制用的ZVS、ZCS芯片；移相全橋用的控制芯片；ZVT、ZCTPWM專用控制芯片；并聯(lián)均流控制芯片；電流反饋控制芯片等。
功率半導體器件則有功率集成電路（PowerIC）和IPM。IPM以IGBT作功率開關，將控制、驅動、保護、檢測電路一起封裝在一個模塊內。由于外部接線、焊點減少，可靠性顯著提高。集成化、模塊化使電源產品體積小、可靠性高，給應用帶來極大方便。
電路集成的進一步發(fā)展方向是系統(tǒng)集成。如現(xiàn)在的逆變器是將200～300個零件裝配在一起成為一個系統(tǒng)。這樣做法要花很多時間和人工，成本也高，也難于做得體積很小。美國VICOR公司生產的第一代電源模塊受生產技術、功率、磁元件體積和封裝技術的限制，密度始終未能超過每立方英寸80W。近年來，推出的第二代電源模塊，內部結構也改為模塊式，達到高度集成化和全面電腦化。功率密度已經達到了每立方英寸120W。電源模塊內含元件只有第一代產品的1/3，由115個減為35個。第二代電源模塊的控制電路只含兩個元件，被稱作“大腦”（Brain）。“大腦”是兩片厚膜電路，由VICOR公司自己的無塵室自行開發(fā)生產，其總體積只有0.1in3，取代了第一代產品中的約100個控制元件，體積縮小了60%。第二代產品的另一個突破是變壓器的改良，采用屏蔽式結構和鍍銅磁芯，把初級和次級線圈分置左右兩邊而溫升很低。寄生電容和共模噪聲也很低。變壓器處理功率的密度達到了每立方英寸1000W，溫升只有3℃。第二代產品功率器件的管芯直接焊接在基板上以取代第一代TO-200封裝，可以提高散熱效率，降低寄生電感、電容和熱阻。第二代產品的集成度顯然提高了，但還不是系統(tǒng)集成。李澤元教授領導的美國電力電子系統(tǒng)中心（CenterofPowerElectronicsSystems,簡稱CPES）已經提出了系統(tǒng)集成的設想，信息傳輸、控制與功率半導體器件全部集成在一起，組成的元件之間不用導線聯(lián)接以增加可靠性，采用三維空間熱耗散的方法來改善散熱，有可能將功率從低功率（幾百瓦～千瓦）做到高功率（幾十千瓦以上）。系統(tǒng)集成的結果，可以改變現(xiàn)在的半自動化、半人工的組裝工藝而可能達到完全自動化生產，因而可以降低成本，有利于普遍地推廣應用。李澤元教授正在應用這一設想，以CPES結合美國幾所大學的特長，在做電機驅動的系統(tǒng)集成工作。系統(tǒng)集成的第一步是把逆變器做成一個模塊，驅動電路、保護電路全部放進去；第二步是把逆變器和電機做在一起，形成一個系統(tǒng)集成。還有一個例，英特的微處理器是非常領先的，這些年的發(fā)展趨勢是速度更快，電壓更低，而需要的電流容量一直在增加。目前英特微處理器工作電壓是2～3V/10A，操作頻率是300MHz。預計兩年后甚至不需要兩年，它的工作電壓會降到1V、電流30～50A，操作頻率為1GHz�，F(xiàn)在的做法是把開關電源緊靠在微處理器，開關電源以很快的速度提供電流給微處理器，這樣尚能滿足現(xiàn)有微處理器的要求。但將來微處理器工作電壓降低，電流增加，速度加快的時候，現(xiàn)有的解決方法將無法達到它的要求。三年前，李澤元教授就提出要徹底解決問題，必須將開關電源與微處理器結合在一起。今天英特公司大部分人接受了這一想法而在積極促成此事。提出的構想是：開關電源緊密結合在微處理器主機板下面。這樣開關電源的大小必須與微處理器相當，而現(xiàn)在的開關電源要比微處理器大幾十倍。如何減小體積？這又面臨新的挑戰(zhàn)！ 可以預計，下面幾個問題是開關電源發(fā)展的永恒方向： （1）開關電源頻率要高，這樣動態(tài)響應才能快，配合高速微處理器工作是必須的；也是減小體積的重要途徑。
（2）體積要減小，變壓器電感、電容都要減小體積。
（3）效率要高，產生的熱能會減少，散熱會容易，容易達到高功率密度。 電力電子技術是重要的支撐科技，據美國總統(tǒng)科學和技術顧問委員會提出，國家關鍵性的科技領域有七個方面：能源、環(huán)保、資訊與通信、生命科學、材料和交通。每一領域無一不和電力電子有關，都在起著重要作用，而開關電源是其中的一個重要方面，有著深遠的美好前景。
由于其高效節(jié)能可帶來巨大經濟效益，因而引起社會各方面的重視而得到迅速推廣。
以AC-DC的變換為例，與傳統(tǒng)采用工頻變換技術的相控電源相比，采用大功率開關管的高頻整流電源，在技術上是一次飛躍，它不但可以方便地得到不同的電壓等級，更重要的是甩掉了體大笨重的工頻變壓器及濾波電感電容。由于采用高頻功率變換，使電源裝置顯著減小了體積和重量，而有可能和設備的主機體積相協(xié)調，并且使電性能得到進一步提高。
正因為如此，1994年我國原郵電部作出重大決策，要求通信領域推廣使用開關電源以取代相控電源。幾年來的實踐已經證明，這一決策是完全正確的。開關電源的使用為國家節(jié)省了大量銅材、鋼材和占地面積。由于變換效率提高，能耗減少，降低了電源周圍環(huán)境的室溫，改善了工作人員的環(huán)境。我國郵電通信部門廣泛采用開關電源極大地推動了它在其它領域的廣泛應用。
值得指出的是，近兩年來出現(xiàn)的電力系統(tǒng)直流操作電源，是針對國家投資4000億元用于城網、農網的供電工程改造、提高輸配電供電質量而推出的，它已開始采用開關電源以取代傳統(tǒng)的相控電源。國內一些通信公司如中興通訊等均已相繼推出系列產品。
目前，國內開關電源自主研發(fā)及生產廠家有300多家，形成規(guī)模的有十多家。國產開關電源已占據了相當市場，一些大公司如中興通訊自主開發(fā)的電源系列產品已獲得廣泛認同，在電源市場競爭中頗具優(yōu)勢，并有少量開始出口。
二、21世紀開關電源的發(fā)展展望 能源在社會現(xiàn)代化方面起著關鍵作用。電力電子技術以其靈活的功率變換方式，高性能、高功率密度、高效率，在21世紀必將得到大力發(fā)展，而開關電源是電力電子技術中占有很大比重的一個重要方面。
1.半導體和電路器件是開關電源發(fā)展的重要支撐 功率半導體器件仍然是電力電子技術發(fā)展的“龍頭”，電力電子技術的進步必須依靠不斷推出的新型電力電子器件。 功率場效應管（MOSFET）由于單極性多子導電，顯著地減小了開關時間，因而很容易地便可達到1MHz的開關工作頻率而受到世人矚目。但是MOSFET，提高器件阻斷電壓必須加寬器件的漂移區(qū)，結果使器件內阻迅速增大，器件的通態(tài)壓降增高，通態(tài)損耗增大，所以只能應用于中小功率產品。為了降低通態(tài)電阻，美國IR公司采用提高單位面積內的原胞個數的方法。如IR公司開發(fā)的一種HEXFET場效應管，其溝槽（Tre
nch）原胞密度已達每平方英寸1.12億個的世界最高水平，通態(tài)電阻R可達3mΩ。功率MOSFET，500V、TO220封裝的HEXFET自1996年以來，其通態(tài)電阻以每年50%的速度下降。IR公司還開發(fā)了一種低柵極電荷（Qg）的HEXFET，使開關速度更快，同時兼顧通態(tài)電阻和柵極電荷兩者同時降低，則R×Qg的下降率為每年30%。對于肖特基二極管的開發(fā)，最近利用Trench結構，有望出現(xiàn)壓降更小的肖特基二極管，稱作TMBS-溝槽MOS勢壘肖特基，而有可能在極低電源電壓應用中與同步整流的MOSFET競爭。
作為半導體器件的硅材料“統(tǒng)治”半導體器件已50年有余，硅性能潛力的進一步挖掘是有難度的。有關半導體器件材料的研究從70年代開始，特別是80～90年代以來，砷化鎵（GaAs）、半導體金剛石、碳化硅（SiC）的研究始終在進行著。進入90年代以后，對碳化硅的研究達到了熱點。實驗表明，應用SiC的半導體器件其導通電阻只有Si器件的1/200；如電壓較高的硅功率MOSFET，導通壓降達3～4V，而SiC功率MOSFET，導通壓降小于1V，而關斷時間小于10ns。實驗表明，電壓達300V的SiC肖特基二極管（另一電極用金、鈀、鈦、鈷均可），反向漏電流小于0.1mA/mm，而反向恢復時間幾乎為零。
一段時間曾認為砷化鎵很有希望取代硅半導體材料�，F(xiàn)在實驗表明，碳化硅材料性能更優(yōu)越。SiC的研究所以滯后于GaAs，主要原因是SiC晶體的制造難度太大，當溫度大于2000℃時，SiC尚未熔化，但到了2400℃時SiC已升華變成氣體了�，F(xiàn)在是利用升華法直接從氣體狀態(tài)生長晶體，目前的問題是要進一步改善SiC表面與金屬的接觸特性和進一步完善SiC的制造工藝，這些問題預計在5～10年內得到解決。當應用SiC制造的半導體器件得到廣泛應用時，對電力電子技術的影響將會是革命性的。變壓器是電力電子產品或開關電源中重要的必不可少的部件，平面變壓器是近兩年才面世的一種全新產品。與常規(guī)變壓器不同，平面變壓器沒有銅導線，代之以單層或多層印刷電路板，因而厚度遠低于常規(guī)變壓器，能夠直接制作在印刷電路板上。其突出優(yōu)點是能量密度高，因而體積大大縮小，相當于常規(guī)變壓器的20%；效率高，通常為97%～99%；工作頻率高，從50kHz到2MHz；低漏感（小于0.2%）；低電磁干擾（EMI）等。 變壓器是應用電能→機械能→電能的一種新型變壓器，它是利用壓電陶瓷電致伸縮的正向和反向特性而制成的。兩片壓電陶瓷緊密牢固地結合在一起，將原邊交變電壓加于一片壓電陶瓷的水平軸線，這片壓電陶瓷將產生垂直方向的機械振動而使另一片牢固結合的壓電陶瓷跟著一起作垂直振動，此時將在其水平軸線方向產生電壓次級輸出電壓。目前這種變壓器功率還不大，適用于電壓較高而電流較小的應用場合，如照明燈具的起輝裝置。超容電容器是電容器件近年來的最新進展，美國的麥克韋爾公司一直保持著超容電容技術的世界領先地位。超容電容器采用了獨特的金屬/碳電極技術和先進的非水電解質，具有極大的電極表面和極小的相對距離。現(xiàn)在已開發(fā)生產出多種具有廣泛適用范圍的超容電容器單元和組件，單元容量小到10F，大到2700F。超容電容器可方便地串聯(lián)組合成高壓組件或并聯(lián)組合成高能量存儲組件。超容電容器組件現(xiàn)已可提供650V的高壓高能量應用。 超容電容器具有廣泛的應用前景。使用超容電容器可以使半導體、造紙、紡織等各種工業(yè)高度自動化的制造系統(tǒng)免受電力波動或短暫中斷所造成的巨大損失；超容電容器能為醫(yī)院或公用事業(yè)單位等在必須使用應急發(fā)電機電源時，提供過渡電源，構成短期不間斷電源。對于新型電能車或混合電能車，超容電容器可作為電池的補充甚至替代物。 2.電路集成和系統(tǒng)集成及封裝工藝 電力電子產品或電路的發(fā)展方向是模塊化、集成化。具有各種控制功能的專用芯片，近幾年發(fā)展很迅速，如功率因數校正（PFC）電路用的控制芯片；軟開關控制用的ZVS、ZCS芯片；移相全橋用的控制芯片；ZVT、ZCTPWM專用控制芯片；并聯(lián)均流控制芯片；電流反饋控制芯片等。
功率半導體器件則有功率集成電路（PowerIC）和IPM。IPM以IGBT作功率開關，將控制、驅動、保護、檢測電路一起封裝在一個模塊內。由于外部接線、焊點減少，可靠性顯著提高。集成化、模塊化使電源產品體積小、可靠性高，給應用帶來極大方便。
電路集成的進一步發(fā)展方向是系統(tǒng)集成。如現(xiàn)在的逆變器是將200～300個零件裝配在一起成為一個系統(tǒng)。這樣做法要花很多時間和人工，成本也高，也難于做得體積很小。美國VICOR公司生產的第一代電源模塊受生產技術、功率、磁元件體積和封裝技術的限制，密度始終未能超過每立方英寸80W。近年來，推出的第二代電源模塊，內部結構也改為模塊式，達到高度集成化和全面電腦化。功率密度已經達到了每立方英寸120W。電源模塊內含元件只有第一代產品的1/3，由115個減為35個。第二代電源模塊的控制電路只含兩個元件，被稱作“大腦”（Brain）。“大腦”是兩片厚膜電路，由VICOR公司自己的無塵室自行開發(fā)生產，其總體積只有0.1in3，取代了第一代產品中的約100個控制元件，體積縮小了60%。第二代產品的另一個突破是變壓器的改良，采用屏蔽式結構和鍍銅磁芯，把初級和次級線圈分置左右兩邊而溫升很低。寄生電容和共模噪聲也很低。變壓器處理功率的密度達到了每立方英寸1000W，溫升只有3℃。第二代產品功率器件的管芯直接焊接在基板上以取代第一代TO-200封裝，可以提高散熱效率，降低寄生電感、電容和熱阻。第二代產品的集成度顯然提高了，但還不是系統(tǒng)集成。李澤元教授領導的美國電力電子系統(tǒng)中心（CenterofPowerElectronicsSystems,簡稱CPES）已經提出了系統(tǒng)集成的設想，信息傳輸、控制與功率半導體器件全部集成在一起，組成的元件之間不用導線聯(lián)接以增加可靠性，采用三維空間熱耗散的方法來改善散熱，有可能將功率從低功率（幾百瓦～千瓦）做到高功率（幾十千瓦以上）。系統(tǒng)集成的結果，可以改變現(xiàn)在的半自動化、半人工的組裝工藝而可能達到完全自動化生產，因而可以降低成本，有利于普遍地推廣應用。李澤元教授正在應用這一設想，以CPES結合美國幾所大學的特長，在做電機驅動的系統(tǒng)集成工作。系統(tǒng)集成的第一步是把逆變器做成一個模塊，驅動電路、保護電路全部放進去；第二步是把逆變器和電機做在一起，形成一個系統(tǒng)集成。還有一個例，英特的微處理器是非常領先的，這些年的發(fā)展趨勢是速度更快，電壓更低，而需要的電流容量一直在增加。目前英特微處理器工作電壓是2～3V/10A，操作頻率是300MHz。預計兩年后甚至不需要兩年，它的工作電壓會降到1V、電流30～50A，操作頻率為1GHz�，F(xiàn)在的做法是把開關電源緊靠在微處理器，開關電源以很快的速度提供電流給微處理器，這樣尚能滿足現(xiàn)有微處理器的要求。但將來微處理器工作電壓降低，電流增加，速度加快的時候，現(xiàn)有的解決方法將無法達到它的要求。三年前，李澤元教授就提出要徹底解決問題，必須將開關電源與微處理器結合在一起。今天英特公司大部分人接受了這一想法而在積極促成此事。提出的構想是：開關電源緊密結合在微處理器主機板下面。這樣開關電源的大小必須與微處理器相當，而現(xiàn)在的開關電源要比微處理器大幾十倍。如何減小體積？這又面臨新的挑戰(zhàn)！ 可以預計，下面幾個問題是開關電源發(fā)展的永恒方向： （1）開關電源頻率要高，這樣動態(tài)響應才能快，配合高速微處理器工作是必須的；也是減小體積的重要途徑。
（2）體積要減小，變壓器電感、電容都要減小體積。
（3）效率要高，產生的熱能會減少，散熱會容易，容易達到高功率密度。 電力電子技術是重要的支撐科技，據美國總統(tǒng)科學和技術顧問委員會提出，國家關鍵性的科技領域有七個方面：能源、環(huán)保、資訊與通信、生命科學、材料和交通。每一領域無一不和電力電子有關，都在起著重要作用，而開關電源是其中的一個重要方面，有著深遠的美好前景。
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