1、國內(nèi)外開關(guān)電源的發(fā)展展望一、強大的市場需求，始終是開關(guān)電源I穩(wěn)壓器發(fā)展的重要動力開關(guān)電源技術(shù)屬于電力電子技術(shù)，它運用功率變換器進行電能 變換，經(jīng)過變換電能，可以滿足各種用電要求。因為其高效節(jié)能可 帶來巨大經(jīng)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(shù)的相控電源相 比，采用大功率開關(guān)管的高頻整流電源，在技術(shù)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。因為采用高頻功率變換，使電源裝 置顯著減小了體積和重量，而有可能和設(shè)備的主機體積相協(xié)調(diào)，并 且使電性能得到進一步提高。正因為如此，1994

2、年我國原郵電部作 出重大決策，要求通信領(lǐng)域推廣使用開關(guān)電源以取代相控電源。幾 年來的實踐已經(jīng)證明，這一決策是完全正確的。開關(guān)電源的使用為 國家節(jié)省了大量銅材、鋼材和占地面積。因為變換效率提高，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(guān)電源極大地推動了它在其它領(lǐng)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(wǎng)、農(nóng)網(wǎng)的供電工程改造、提高輸配 電供電質(zhì)量而推出的，它已開始采用開關(guān)電源以取代傳統(tǒng)的相控電 源。國內(nèi)一些通信公司如中興通訊等均已相繼推出系列產(chǎn)品。目前，國內(nèi)開關(guān)電源自主研發(fā)及生產(chǎn)廠家有 30

3、0多家，形成規(guī) 模的有十多家。國產(chǎn)開關(guān)電源已占據(jù)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(chǎn)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(guān)電源的發(fā)展展望能源在社會現(xiàn)代化方面起著關(guān)鍵作用。電力電子技術(shù)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(guān)電源是電力電子技術(shù)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(guān)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(shù)發(fā)展的“龍頭”，電力電 子技術(shù)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）因為單極性多子導電，顯著地減小 了開關(guān)時間，因

4、而很容易地便可達到1MHz的開關(guān)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(jié)果使器件內(nèi)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(chǎn)品。為了降低通態(tài)電阻，美國IR公司采用提高單位面積內(nèi)的原胞個數(shù)的方法。如IR公司開發(fā)的一種HEXFET場效應管，其溝槽（Trench）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3mQ。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(guān)速度更快，同時兼

5、顧通態(tài)電阻和柵極電荷兩者同 時降低，則R X 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(jié)構(gòu)，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(guān)半導體器件材料的研究從 70年代開始，特別是8090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

6、壓較高的硅功率 MOSFET，導 通壓降達34，而SiC功率MOSFET，導通壓降小于1V,而關(guān)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、鉆均可），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。現(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 2000C時，SiC尚未 熔化，但到了 2400C時SiC已升華變成氣體了。現(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

7、 SiC的制造工藝，這些問題預計在 510年內(nèi)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(shù)的影響將會是革命性的。變壓器是電力電子產(chǎn)品或 開關(guān)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(chǎn)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

8、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(jié)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(chǎn)生垂直方向的機械振動而使另一片牢固結(jié)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(chǎn)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(shù)的世界領(lǐng)先地位。超容電容器采用了獨特的金屬 /碳電極技術(shù)和 先進的非水電解質(zhì)，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(chǎn)出多種具有廣泛適用范圍的超容電容器單元和組

9、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(gòu)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(chǎn)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

10、因數(shù)校正（PFC）電路用的控制芯片；軟開關(guān)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(guān)，將控制、驅(qū)動、保護、檢測電路一起封裝在一個 模塊內(nèi)。因為外部接線、焊點減少，可靠性顯著提高。集成化、模 塊化使電源產(chǎn)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 200300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(chǎn)的第一

11、代電源模塊受生產(chǎn)技術(shù)、功率、磁元件體積和封裝技術(shù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jīng)達到了每立方英寸120W。電源模塊內(nèi)含元件只有第一代 產(chǎn)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(chǎn)，其總體積只有0.1in3,取代了第一代產(chǎn)品中的約100個控制元件，體積縮小了 60%。第二 代產(chǎn)品的另一個突破是變壓器的改良，采用屏蔽式結(jié)構(gòu)和鍍銅磁芯， 把初級和次級線圈分置左右

12、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3C。第二代產(chǎn)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(chǎn)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(lǐng)導的美國電力電子系統(tǒng)中心（Cen terofPowerElectro ni csSystemS簡 稱CPES）已經(jīng)提出了系統(tǒng)集成的設(shè)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

13、千瓦以上）。系統(tǒng)集成的結(jié) 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(chǎn)，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(shè)想，以 CPES結(jié)合美國幾所大學的特長，在做 電機驅(qū)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(qū)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(lǐng)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23V/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3050A

14、，操作頻率為1GHz。現(xiàn)在的做法是把開關(guān) 電源緊靠在微處理器，開關(guān)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(guān)電源與微 處理器結(jié)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(gòu)想是：開關(guān)電源緊密結(jié)合在微處理器主機板 下面。這樣開關(guān)電源的大小必須與微處理器相當，而現(xiàn)在的開關(guān)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(guān)電源發(fā)展的永恒方向：（1）開關(guān)電源頻率要高，這樣動

15、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(chǎn)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(shù)是重要的支撐科技，據(jù)美國總統(tǒng)科學和技術(shù)顧問 委員會提出，國家關(guān)鍵性的科技領(lǐng)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(lǐng)域無一不和電力電子有 關(guān)，都在起著重要作用，而開關(guān)電源是其中的一個重要方面，有著 深遠的美好前景。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200300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

16、 VICOR公司生產(chǎn)的第一代電源模塊受生產(chǎn)技術(shù)、功率、磁元件體積 和封裝技術(shù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jīng)達到了每立方英寸120W。電源模塊內(nèi)含元件只有第一代產(chǎn)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(chǎn)，其總 體積只有0.1in3,取代了第一代產(chǎn)品中的約100個控制元件，體積 縮小了 60%。第二代產(chǎn)品的另一個突破是變壓器的改良，采用屏蔽 式結(jié)構(gòu)和鍍銅磁芯，

17、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3C。第二代產(chǎn)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(chǎn)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(lǐng)導的美國電力電子系統(tǒng)中心(CenterofPowerElectronicsSystemS簡稱 CPES)已經(jīng)提出了系統(tǒng)集 成的設(shè)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

18、)做到高 功率(幾十千瓦以上)。系統(tǒng)集成的結(jié)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(chǎn)，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(shè)想，以 CPES結(jié)合美國幾所大學的特長，在做電機驅(qū)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(qū)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(lǐng)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23V/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3050A，操作頻 率為1GHz。現(xiàn)在的做法是把開關(guān)電源緊靠在微處理器，開關(guān)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(guān)電源與微處理器結(jié)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(gòu)想是： 開關(guān)電源緊密結(jié)合在微處理器主機板下面。這樣開關(guān)電源的大小必 須與微處理器相當，而現(xiàn)在的開關(guān)電源要比