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開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的十個(gè)關(guān)注點(diǎn)與四大趨勢
上世紀60年代，開(kāi)關(guān)電源的問(wèn)世，使其逐步取代了線(xiàn)性穩壓電源和SCR相控電源。40多年來(lái)，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)有了飛迅發(fā)展和變化，經(jīng)歷了功率半導體器件、高頻化和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、開(kāi)關(guān)電源系統的集成技術(shù)三個(gè)發(fā)展階段。
功率半導體器件從雙極型器件（BPT、SCR、GTO）發(fā)展為MOS型器件（功率MOSFET、IGBT、IGCT等），使電力電子系統有可能實(shí)現高頻化，并大幅度降低導通損耗，電路也更為簡(jiǎn)單。
自上世紀80年代開(kāi)始，高頻化和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)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(kāi)關(guān)技術(shù)是過(guò)去20年國際電力電子界研究的熱點(diǎn)之一。
上世紀90年代中期，集成電力電子系統和集成電力電子模塊（IPEM）技術(shù)開(kāi)始發(fā)展，它是當今國際電力電子界亟待解決的新問(wèn)題之一。
關(guān)注點(diǎn)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(chēng)超結功率MOSFET。工作電壓600V～800V，通態(tài)電阻幾乎降低了一個(gè)數量級，仍保持開(kāi)關(guān)速度快的特點(diǎn)，是一種有發(fā)展前途的高頻功率半導體器件。
IGBT剛出現時(shí)，電壓、電流額定值只有600V、25A。很長(cháng)一段時(shí)間內，耐壓水平限于1200V～1700V，經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的探索研究和改進(jìn)，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，基于穿通（PT）型結構應用新技術(shù)制造的IGBT，可工作于150kHz（硬開(kāi)關(guān)）和300kHz（軟開(kāi)關(guān)）。
IGBT的技術(shù)進(jìn)展實(shí)際上是通態(tài)壓降，快速開(kāi)關(guān)和高耐壓能力三者的折中。隨著(zhù)工藝和結構形式的不同，IGBT在20年歷史發(fā)展進(jìn)程中，有以下幾種類(lèi)型：穿通（PT）型、非穿通（NPT）型、軟穿通（SPT）型、溝漕型和電場(chǎng)截止（FS）型。
碳化硅SiC是功率半導體器件晶片的理想材料，其優(yōu)點(diǎn)是：禁帶寬、工作溫度高（可達600℃）、熱穩定性好、通態(tài)電阻小、導熱性能好、漏電流極小、PN結耐壓高等，有利于制造出耐高溫的高頻大功率半導體器件。
可以預見(jiàn)，碳化硅將是21世紀最可能成功應用的新型功率半導體器件材料。
關(guān)注點(diǎn)二：開(kāi)關(guān)電源功率密度
提高開(kāi)關(guān)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(diǎn)之一。電源的小型化、減輕重量對便攜式電子設備（如移動(dòng)電話(huà)，數字相機等）尤為重要。使開(kāi)關(guān)電源小型化的具體辦法有：
一是高頻化。為了實(shí)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(shí)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(dòng)”變換和“振動(dòng)-電壓”變換的性質(zhì)傳送能量，其等效電路如同一個(gè)串并聯(lián)諧振電路，是功率變換領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
三是采用新型電容器。為了減小電力電子設備的體積和重量，必須設法改進(jìn)電容器的性能，提高能量密度，并研究開(kāi)發(fā)適合于電力電子及電源系統用的新型電容器，要求電容量大、等效串聯(lián)電阻ESR小、體積小等。
關(guān)注點(diǎn)三：高頻磁與同步整流技術(shù)
電源系統中應用大量磁元件，高頻磁元件的材料、結構和性能都不同于工頻磁元件，有許多問(wèn)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(yōu)越。適用于兆赫級頻率的磁性材料為人們所關(guān)注，納米結晶軟磁材料也已開(kāi)發(fā)應用。
高頻化以后，為了提高開(kāi)關(guān)電源的效率，必須開(kāi)發(fā)和應用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。它是過(guò)去幾十年國際電源界的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
對于低電壓、大電流輸出的軟開(kāi)關(guān)變換器，進(jìn)一步提高其效率的措施是設法降低開(kāi)關(guān)的通態(tài)損耗。例如同步整流SR技術(shù)，即以功率MOS管反接作為整流用開(kāi)關(guān)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(guān)注點(diǎn)四：分布電源結構
分布電源系統適合于用作超高速集成電路組成的大型工作站（如圖像處理站）、大型數字電子交換系統等的電源，其優(yōu)點(diǎn)是：可實(shí)現DC/DC變換器組件模塊化；容易實(shí)現N+1功率冗余，提高系統可*性；易于擴增負載容量；可降低48V母線(xiàn)上的電流和電壓降；容易做到熱分布均勻、便于散熱設計；瞬態(tài)響應好；可在線(xiàn)更換失效模塊等。
現在分布電源系統有兩種結構類(lèi)型，一是兩級結構，另一種是三級結構。
關(guān)注點(diǎn)五：PFC變換器
由于A(yíng)C/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(shí)，單相整流電源供電的電子設備，電網(wǎng)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(wǎng)側功率因數可提高到0.95～0.99，輸入電流THD小于10%。既治理了電網(wǎng)的諧波污染，又提高了電源的整體效率。這一技術(shù)稱(chēng)為有源功率因數校正APFC單相APFC國內外開(kāi)發(fā)較早，技術(shù)已較成熟；三相APFC的拓撲類(lèi)型和控制策略雖然已經(jīng)有很多種，但還有待繼續研究發(fā)展。
一般高功率因數AC/DC開(kāi)關(guān)電源，由兩級拓撲組成，對于小功率AC/DC開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，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(shí)，將PFC變換器和后級DC/DC變換器組合成一個(gè)拓撲，構成單級高功率因數AC/DC開(kāi)關(guān)電源，只用一個(gè)主開(kāi)關(guān)管，可使功率因數校正到0.8以上，并使輸出直流電壓可調，這種拓撲結構稱(chēng)為單管單級即S4PFC變換器。
關(guān)注點(diǎn)六：電壓調節器模塊VRM
電壓調節器模塊是一類(lèi)低電壓、大電流輸出DC-DC變換器模塊，向微處理器提供電源。
現在數據處理系統的速度和效率日益提高，為降低微處理器IC的電場(chǎng)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(guān)注點(diǎn)七：全數字化控制
電源的控制已經(jīng)由模擬控制，模數混合控制，進(jìn)入到全數字控制階段。全數字控制是一個(gè)新的發(fā)展趨勢，已經(jīng)在許多功率變換設備中得到應用。
但是過(guò)去數字控制在DC/DC變換器中用得較少。近兩年來(lái)，電源的高性能全數字控制芯片已經(jīng)開(kāi)發(fā)，費用也已降到比較合理的水平，歐美已有多家公司開(kāi)發(fā)并制造出開(kāi)關(guān)變換器的數字控制芯片及軟件。
全數字控制的優(yōu)點(diǎn)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(jià)格也更低廉；對電流檢測誤差可以進(jìn)行精確的數字校正，電壓檢測也更精確；可以實(shí)現快速，靈活的控制設計。
關(guān)注點(diǎn)八：電磁兼容性
高頻開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容EMC問(wèn)題有其特殊性。功率半導體開(kāi)關(guān)管在開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的di/dt和dv/dt，引起強大的傳導電磁干擾和諧波干擾。有些情況還會(huì )引起強電磁場(chǎng)（通常是近場(chǎng)）輻射。不但嚴重污染周?chē)姶怒h(huán)境，對附近的電氣設備造成電磁干擾，還可能危及附近操作人員的安全。同時(shí)，電力電子電路（如開(kāi)關(guān)變換器）內部的控制電路也必須能承受開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的EMI及應用現場(chǎng)電磁噪聲的干擾。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(lǐng)域里，存在著(zhù)許多交*科學(xué)的前沿課題有待人們研究。國內外許多大學(xué)均開(kāi)展了電力電子電路的電磁干擾和電磁兼容性問(wèn)題的研究，并取得了不少可喜成果。近幾年研究成果表明，開(kāi)關(guān)變換器中的電磁噪音源，主要來(lái)自主開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)作用所產(chǎn)生的電壓、電流變化。變化速度越快，電磁噪音越大。
關(guān)注點(diǎn)九：設計和測試技術(shù)
建模、仿真和CAD是一種新的設計工具。為仿真電源系統，首先要建立仿真模型，包括電力電子器件、變換器電路、數字和模擬控制電路以及磁元件和磁場(chǎng)分布模型等，還要考慮開(kāi)關(guān)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(fā)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(gè)統一的多層次模型等。
電源系統的CAD，包括主電路和控制電路設計、器件選擇、參數最優(yōu)化、磁設計、熱設計、EMI設計和印制電路板設計、可*性預估、計算機輔助綜合和優(yōu)化設計等。用基于仿真的專(zhuān)家系統進(jìn)行電源系統的CAD，可使所設計的系統性能最優(yōu)，減少設計制造費用，并能做可制造性分析，是21世紀仿真和CAD技術(shù)的發(fā)展方向之一。此外，電源系統的熱測試、EMI測試、可*性測試等技術(shù)的開(kāi)發(fā)、研究與應用也是應大力發(fā)展的。
關(guān)注點(diǎn)十：系統集成技術(shù)
電源設備的制造特點(diǎn)是：非標準件多、勞動(dòng)強度大、設計周期長(cháng)、成本高、可*性低等，而用戶(hù)要求制造廠(chǎng)生產(chǎn)的電源產(chǎn)品更加實(shí)用、可*性更高、更輕小、成本更低。這些情況使電源制造廠(chǎng)家承受巨大壓力，迫切需要開(kāi)展集成電源模塊的研究開(kāi)發(fā)，使電源產(chǎn)品的標準化、模塊化、可制造性、規模生產(chǎn)、降低成本等目標得以實(shí)現。
實(shí)際上，在電源集成技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程中，已經(jīng)經(jīng)歷了電力半導體器件模塊化，功率與控制電路的集成化，集成無(wú)源元件（包括磁集成技術(shù)）等發(fā)展階段。近年來(lái)的發(fā)展方向是將小功率電源系統集成在一個(gè)芯片上，可以使電源產(chǎn)品更為緊湊，體積更小，也減小了引線(xiàn)長(cháng)度，從而減小了寄生參數。在此基礎上，可以實(shí)現一體化，所有元器件連同控制保護集成在一個(gè)模塊中。
上世紀90年代，隨著(zhù)大規模分布電源系統的發(fā)展，一體化的設計觀(guān)念被推廣到更大容量、更高電壓的電源系統集成，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、控制以及檢測、執行等元件集成封裝，得到標準的，可制造的模塊，既可用于標準設計，也可用于專(zhuān)用、特殊設計。優(yōu)點(diǎn)是可快速高效為用戶(hù)提供產(chǎn)品，顯著(zhù)降低成本，提高可*性。
總之，電源系統集成是當今國際電力電子界亟待解決的新問(wèn)題之一
——效率更高 體積更小 電磁污染更少 可靠性更高
一、非隔離DC/DC技術(shù)迅速發(fā)展
近年來(lái)，非隔離DC/DC技術(shù)發(fā)展迅速。目前一套電子設備或電子系統由于負載不同，會(huì )要求電源系統提供多個(gè)電壓擋級。如臺式PC機就要求有+12V、+5V、+3.3V、-12V四種電壓以及待機的+5V電壓，主機板上則需要2.5V、1.8V、1.5V甚至1V等。一套AC/DC中不可能給出這樣多的電壓輸出，而大多數低壓供電電流都很大，因此開(kāi)發(fā)了很多非隔離的DC/DC，它們基本上可以分成兩大類(lèi)。一類(lèi)在內部含有功率開(kāi)關(guān)元件，稱(chēng)DC/DC轉換器。另一類(lèi)不含功率開(kāi)關(guān)，需要外接功率MOSFET，稱(chēng)DC/DC控制器。按照電路功能劃分，有降壓的STEP-DOWN、升壓的BOOST，還有能升降壓的BUCK-BOOST或SEPIC等，以及正壓轉成負壓的INVERTOR等。其中品種最多，發(fā)展最快的還是降壓的STEP-DOWN。根據輸出電流的大小，分為單相、兩相及多相�？刂品绞缴弦訮WM為主，少部分為PFM。
在非隔離的DC/DC轉換技術(shù)中，TI公司的預檢測柵驅動(dòng)技術(shù)采用數字技術(shù)控制同步BUCK，采用這種技術(shù)的DC/DC轉換效率最高可以達到97%，其中TPS40071等是其代表產(chǎn)品。BOOST升壓方式也出現了采用MOSFET代替二極管的同步BOOST的產(chǎn)品。在低壓領(lǐng)域，增加效率的幅度很大，而且正在設法進(jìn)一步消除MOSFET的體二極管的導通及反向恢復問(wèn)題。
二、開(kāi)關(guān)電源吹響數字化號角
目前在整個(gè)的電子模擬電路系統中，電視、音響設備、照片處理、通訊、網(wǎng)絡(luò )等都逐步實(shí)現了數字化，而最后一個(gè)沒(méi)有數字化的堡壘就是電源領(lǐng)域了。近年來(lái)，數字電源的研究勢頭不減，成果也越來(lái)越多。在電源數字化方面走在前面的公司有TI和Microchip。TI公司既有DSP方面的優(yōu)勢，又兼并了PWM IC專(zhuān)業(yè)制造商UNITRODE公司，該公司已經(jīng)用TMS320C28F10制成了通訊用的48V輸出大功率電源模塊，其中PFC和PWM部分完全為數字式控制�，F在，TI公司已經(jīng)研發(fā)出了多款數字式PWM控制芯片。目前主要是UCD7000系列、UCD8000系列和UCD9000系列，它們將成為下一代數字電源的探路者。它們總體上既包括硬件部分，還要做軟件編程。硬件部分包括PWM的邏輯部分、時(shí)鐘、放大器環(huán)路的模數轉換、數模轉換以及數字處理、驅動(dòng)，同步整流的檢測和處理等。
目前在電源領(lǐng)域里的競爭主要還是性能價(jià)格的競爭，所以數字電源還有很長(cháng)的路要走，然而電源領(lǐng)域的數字化的號角已經(jīng)吹響了。
三、初級PWM控制IC不斷優(yōu)化
有源箝位技術(shù)歷經(jīng)十余年經(jīng)久不衰，自從2002年VICOR公司此項專(zhuān)利技術(shù)到期解禁之后，各家公司開(kāi)發(fā)的新型有源箝位控制IC如雨后春筍般涌現，給用戶(hù)提供了充分的選擇。
控制早期有源箝位控制技術(shù)的TI，不僅保持了原有的UCC3580系列，又新開(kāi)發(fā)了性能更優(yōu)越的UCC2891-94，它采用電流型控制方式，綜合了高邊箝位、低邊箝位兩種控制方案，給出了全新的控制技巧。OnSemi先推出了低壓(100V)有源箝位的NCP1560控制芯片，隨后又推出了高壓應用的控制芯片NCP1280，它既解決了LCD TV等離子TV電源的要求，現在又直指下一代無(wú)風(fēng)扇的PC機電源。美國NS公司的5000系列中專(zhuān)門(mén)有一款LM5025的有源箝位控制IC，連名不見(jiàn)經(jīng)傳的Semtech公司也給出了有源箝位的控制芯片，型號是SC4910，可見(jiàn)其背后蘊藏著(zhù)巨大的市場(chǎng)商機。直到最近TI公司又推出的有源箝位控制IC UCC2897，已經(jīng)將有源箝位的PWM控制做到了完美無(wú)缺。而臺商飛兆公司則給出了最廉價(jià)的有源箝位控制IC，即SD7558和SD7559。
在大功率領(lǐng)域，全橋移相ZVS軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在解決開(kāi)關(guān)電源的效率上功不可沒(méi)。從TI公司的UC3875到UCC3895，再從Linear公司的LTC1922到LTC3722增加了自適應檢測技術(shù)，使全橋移相技術(shù)達到了頂峰。然而，在同步整流技術(shù)普遍應用的今天，它卻無(wú)法實(shí)現最佳的ZVS同步整流。因為全橋移相電路在本質(zhì)上是屬于非對稱(chēng)的，它無(wú)法實(shí)現完全的ZVS同步整流，由于其開(kāi)啟和關(guān)斷過(guò)程總有一半是硬開(kāi)關(guān)，因而效率比不上對稱(chēng)電路拓撲的ZVS方式的同步整流。最新的科技成果應該是INTERSIL公司推出的PWM對稱(chēng)全橋的ZVS控制IC-ISL6752。它既能控制初級側的四個(gè)MOS開(kāi)關(guān)為ZVS工作狀態(tài)，又能準確地給出控制二次側的同步整流為ZVS工作狀態(tài)的驅動(dòng)信號。采用這顆IC制作的400W的DC/DC再加上先進(jìn)的功率MOSFET，轉換效率可達到95%。
對于小功率的開(kāi)關(guān)電源，則仍舊是反激變換器的PWM控制IC，但是它必須要能很好地解決二次側的同步整流的控制方式。OnSemi公司的NCP1207和NCP1377是高壓AC/DC領(lǐng)域的佼佼者。若能再配上TI公司的反激變換器的同步整流控制IC-UCC27226，則能使它們成為幾乎完美無(wú)瑕的高效率電源。低壓DC/DC領(lǐng)域中的反激變換器控制IC中，Linear公司的LTC3806則是上乘之作。LTC3806不僅能控制好PWM，還給出準確的二次側同步整流驅動(dòng)信號，是低壓小功率電源控制IC的杰作。
綜上所述，開(kāi)關(guān)電源設計時(shí)可以選擇最佳控制方式和最佳電路拓撲。大功率應該是全橋ZVS加上二次側ZVS同步整流，典型控制IC是ISL6752；中等功率到小功率應該是有源箝位正激變換ZVS軟開(kāi)關(guān)配上二次側的預檢測柵驅動(dòng)技術(shù)的同步整流；而小功率應該是配好同步整流的反激變換。當然，這里沒(méi)有絕對的界限，只是不同的條件下應該有相應的最佳選擇。
四、同步整流技術(shù)實(shí)現高效
從上世紀90年代末期同步整流技術(shù)誕生以來(lái)，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)得到了極大的發(fā)展，采用IC控制技術(shù)的同步整流方案已經(jīng)為研發(fā)工程師普遍接受，現在的同步整流技術(shù)都在努力實(shí)現ZVS、ZCS方式的同步整流。
從2002年美國銀河公司發(fā)表了ZVS同步整流技術(shù)之后，現在已經(jīng)得到了廣泛應用。這種方式的同步整流系巧妙地將二次側驅動(dòng)同步整流的脈沖信號調為比一次側的PWM脈沖信號的上升沿超前，下降沿滯后的方法實(shí)現了同步整流MOS的ZVS方式工作。最新問(wèn)世的雙輸出式PWM控制IC幾乎都在控制邏輯內增加了對二次側實(shí)現ZVS同步整流的控制端子。例如：Linear公司的LTC3722、LTC3723，INTERSIL公司的ISL6752等。這些IC不僅努力解決好初級側功率MOSFET的軟開(kāi)關(guān)，而且著(zhù)力解決好二次側的ZVS方式的同步整流，轉換效率可達94%以上。
在非對稱(chēng)的開(kāi)關(guān)電源電路拓撲中，特別是對于性能良好的正激電路或正激有源箝位電路，在二次側的同步整流中，為了實(shí)現ZVS方式的同步整流，消除MOSFET體二極管的導通損耗和反向恢復時(shí)間帶來(lái)的損耗，TI公司的專(zhuān)利技術(shù)"預檢測柵驅動(dòng)技術(shù)"在控制芯片中增加了大量的數字控制技術(shù)，正激電路同步整流的控制芯片UCC27228的誕生使正激電路的效率達到了前所未有的高效率。再配合好初級側的有源箝位技術(shù)之后，使這種最新的電路模式既做到了初級側的軟開(kāi)關(guān)ZVS方式工作，又解決了磁芯復位及能量回饋，減輕了功率MOSFET的電壓應力，還做到了二次側的ZVS最佳狀態(tài)的同步整流，綜合使用這兩項技術(shù)的中小功率的DC/DC變換器，其效率都在94%以上，功率密度也都能達到200W/in以上。
五、專(zhuān)家觀(guān)點(diǎn)：能源緊缺急需節能政策出臺
目前中國制造的開(kāi)關(guān)電源占了世界市場(chǎng)的80%，但是高端市場(chǎng)上幾乎沒(méi)有我們的份額。我國目前能源緊缺，而電源行業(yè)又是一個(gè)與能源消耗密切相關(guān)的行業(yè)，所以需要政府以及學(xué)會(huì )團體應該在幾個(gè)方面給電源的發(fā)展方向作出指導。
首先，彩電電源的空載功耗。在城市里很多家庭晚上看完電視后，采用遙控關(guān)斷的方法關(guān)機，使電力白白消耗。這時(shí)彩電的空載損耗多在3.5W以上，歐洲標準是小于1W，日本標準是小于0.6W。
第二，國內各個(gè)家電廠(chǎng)商對于電源的效率要求不高，只要求價(jià)格。例如，DVD生產(chǎn)商在外配電源適配器時(shí)，寧可選擇轉換效率不足80%，空載損耗1.5W的49元一臺的適配器，卻不愿意選擇轉換效率90%以上，空載損耗<0.6W的59元一臺的適配器。
目前，我們國家的石油進(jìn)口已經(jīng)超過(guò)50%，仍舊是缺油大國，如果私家車(chē)再多一些，我們到哪里去弄石油？是否該用法律及政策去鼓勵企業(yè)和工程師多開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)高效率的電源呢？
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