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進(jìn)入21世紀，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)將有更大的發(fā)展，主要表現在以下幾個(gè)方面。

1.       高性能碳化硅（SiC）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，其優(yōu)點(diǎn)是：禁帶寬，工作溫度高（可達600°C），通態(tài)電阻小，導熱性能好，漏電流極小，PN結耐壓高等等。

2.       高頻磁技術(shù)

高頻開(kāi)關(guān)變換器中用了多種磁元件，有許多基本問(wèn)題要研究。

（1）隨著(zhù)開(kāi)關(guān)電源的高頻化，在低頻下可以忽略的某些寄生參數，在高頻下將對某些電路性能（如開(kāi)關(guān)尖峰能量、噪聲水平等）產(chǎn)生重要影響。尤其是磁元件的渦流、漏電感、繞組交流電阻R_ac和分布電容等，在低頻和高頻下的表現有很大不同。高頻磁技術(shù)理論作為學(xué)科前沿問(wèn)題，仍受到人們的廣泛重視，如：磁心損耗的數學(xué)建模，磁滯回線(xiàn)的仿真建模，高頻磁元件的計算機仿真建模和CAD、高頻變壓器一維和二維仿真模型等。有待研究的問(wèn)題還有：高頻磁元件的設計決定了高效率開(kāi)關(guān)電源的性能、損耗分布和波形等，人們希望給出設計準則、方法、磁參數和結構參數與電路性能的依賴(lài)關(guān)系，明確設計的自由度與約束條件等。

（2）對高頻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，如5~6µm超薄鈷基非晶態(tài)磁帶，1MHz（B_m=0.1T）時(shí)，損耗僅為0.7~1W/cm³，是MnZn高頻鐵氧體的1/3~1/4。納米結晶軟磁薄膜也在研究。

（3）研究將鐵氧體或其他薄膜材料高密度集成在硅片上。或硅材料集成在鐵氧體上，是一種磁電混合集成技術(shù)。磁電混合集成還包括利用電感箔式繞組層間分布電容實(shí)現磁元件與電容混合集成等。

3. 新型電容器

研究開(kāi)發(fā)適合于功率電源系統用的新型電容器和超級大電容。要求電容量大、等效電阻（ESR）小、體積小等。據報道，美國在20世紀90年代末，已開(kāi)發(fā)出330µF新型固體鉭電容，其ESR有顯著(zhù)下降。

4. 功率因數校正AC-DC開(kāi)關(guān)變換技術(shù)

一般高功率因數AC-DC電源由兩級組成：在DC-DC變換器前加一級前置功率因數校正器，至少需要兩個(gè)主開(kāi)關(guān)管和兩套控制驅動(dòng)電路。這樣對于小功率開(kāi)關(guān)電源說(shuō)，總體效率低、成本高。

對輸入端功率因數要求不特別高的情況，用PFC和變換器組合電路構成小功率AC-DC開(kāi)關(guān)電源，只用一個(gè)主開(kāi)關(guān)管，可使PF校正到0.8以上，稱(chēng)為單管單級PF校正AC-DC變換器，簡(jiǎn)稱(chēng)為S⁴。例如一種隔離式S⁴PF校正AC/DC變換器，前置功率因數校正器用DCM運行的Boost變換器，后置電壓調節器主電路為反激變換器，按CCM或DCM運行；兩級電路合用一個(gè)主開(kāi)關(guān)管。

5. 高頻開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容研究

高頻開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容問(wèn)題有特殊性。通常，它涉及到開(kāi)關(guān)過(guò)程產(chǎn)生的di/dt和dv/dt，引起強大的傳導型電磁干擾和諧波干擾。有些情況還會(huì )引起強電磁場(chǎng)輻射。不但嚴重污染周?chē)�電磁環(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)，開(kāi)關(guān)電源內部的控制電路也必須能承受主電路及工業(yè)應用現場(chǎng)電磁噪聲的干擾。由于上述特殊性和測量上的具體困難，專(zhuān)門(mén)針對開(kāi)關(guān)電源電磁兼容的研究工作，目前還處于起始階段。顯然，在電磁兼容領(lǐng)域，存在著(zhù)許多交叉科學(xué)的前沿課題有待人們研究。如：典型電路與系統的近場(chǎng)、傳導干擾和輻射干擾建模；印制電路板和開(kāi)關(guān)電源EMC優(yōu)化設計軟件；低中頻、超音頻及高頻強磁場(chǎng)對人體健康的影響；大功率開(kāi)關(guān)電源EMC測量方法的研究等。

6. 開(kāi)關(guān)電源的設計、測試技術(shù)

建模、仿真和CAD是一種新的、方便且節省的設計工具。為仿真開(kāi)關(guān)電源，首先要進(jìn)行仿真建模。仿真模型中應包括電力電子器件、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，電路分布參數模型等，還要考慮開(kāi)關(guān)管的熱模型、可靠性模型和EMC建模。各種模型差別很大，因此建模的發(fā)展方向應當是：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（類(lèi)似一個(gè)電路模型，有方塊圖等）；自動(dòng)生成模型，使仿真軟件具有自動(dòng)建模功能，以節約用戶(hù)時(shí)間。在此基礎上，可建立模型庫。

開(kāi)關(guān)電源的CAD，包括主電路和控制電路設計、器件選擇、參數優(yōu)化、磁設計、熱設計、EMI設計和印刷電路板設計、可靠性預估、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)行開(kāi)關(guān)電源的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�，F在國外已開(kāi)發(fā)出設計DC-DC開(kāi)關(guān)變換器的專(zhuān)家系統和仿真用MATSPICE軟件。

此外，開(kāi)關(guān)電源的熱測試、EMI測試、可靠性測試等技術(shù)的開(kāi)發(fā)、研究與應用也是應大力發(fā)展的。

7. 低電壓、大電流的開(kāi)關(guān)電源開(kāi)發(fā)

(1)低電壓、大電流的開(kāi)關(guān)變換器的要求

數據處理系統的速度和效率日益提高，新一代微處理器的邏輯電壓低達1.1~1.8V，而電流達50~100A，其供電電源——低電壓、大電流輸出DC-DC變換器模塊，又稱(chēng)為電壓調整器模塊（VRM）。新一代微處理器對VRM的要求是：輸出電壓很低，輸出電流大，電流變化率高，響應快等。

①為降低IC的電場(chǎng)強度和功耗，必須降低微處理器供電電壓，因此VRM的輸出電壓要從傳統的3V左右降低到小于2V，甚至1V。

②運行時(shí)，電源輸入電流>100A，由于寄生L、C參數，電壓擾動(dòng)大，應盡量減小L。

③微處理器起停頻繁，不斷從休眠狀態(tài)啟動(dòng)，工作，再進(jìn)入休眠狀態(tài)。因此要求VRM電流從0突變到50A，又突降到0，電流變化率達5A/ns。

④設計時(shí)應控制擾動(dòng)電壓≤10%，允許輸出電壓變化±2%。

(2)采用波形交錯技術(shù)

線(xiàn)路的寄生阻抗、電容的ESR和ESL對VRM在負載變化過(guò)程中的電壓調整影響很大。必須研制高頻、高功率密度和快速的新型VRM�，F在已有多種拓撲問(wèn)世，如：同步整流Buck變換器（用功率MOS管替代開(kāi)關(guān)二極管）；為防止電流大幅度變化時(shí)由于高頻寄生參數引起輸出電壓擾動(dòng)，有文獻介紹采用多輸入通道或稱(chēng)多相DC-DC變換器，如圖1所示，應用波形交錯(Interleaving)技術(shù)，保證VRM輸出紋波小，改善輸出瞬態(tài)響應，并可減小輸出濾波電感和電容。

圖1  多輸入通道波形交錯同步整流Buck變換器

(3)電壓紋波與沖擊電壓?jiǎn)?wèn)題

①電壓紋波與ESR。對于電壓在1V以下、電流在100A以上的負載，其負載電阻在10mΩ以下，低于濾波電容的內部等效串聯(lián)電阻，會(huì )出現電壓紋波問(wèn)題�，F在，假設可以通過(guò)升降壓或升壓型變換器實(shí)現這種電源，但流過(guò)電容的紋波電流在100A以上，效率小于50%。對此，降壓型變換器中含有串聯(lián)濾波電感，可抑制紋波電流。但是，負載電阻與ESR相當，紋波電流分別流過(guò)電容和負載，其動(dòng)作模式和目前的濾波電路不同。

為探討紋波電壓動(dòng)作模式，首先給出等效電路進(jìn)行仿真。仿真中根據Crc的值，有四種動(dòng)作模式的紋波電壓。電壓紋波值與rc/R的變化關(guān)系曲線(xiàn)，也有四種動(dòng)作模式，C越大，紋波率就越小。為進(jìn)一步降低低壓大電流輸出電壓紋波，即減小濾波電容ESR值，必須采取一定的方法和策略。

②負載突變引起的沖擊電壓。對于數字電路的負載，為快速響應各種模式的轉換，輸出電壓相應于負載變化的瞬態(tài)響應特性就顯得非常重要。此時(shí)，如果電流的變化率大，沖擊產(chǎn)生時(shí)間比開(kāi)關(guān)周期T_s短，則很難期待由反饋而帶來(lái)的輸出電壓穩定效果。目前技術(shù)還沒(méi)有辦法，正處于仿真研究階段。

(4)探尋省略濾波電容的可能性

如果因負載急變引起輸出電壓波動(dòng)，波動(dòng)持續時(shí)間超過(guò)開(kāi)關(guān)周期的話(huà)，通過(guò)反饋可在一定程度上進(jìn)行調整，LC濾波電路對此電壓調整效果起決定作用。為達到電壓調整目的，必須提高開(kāi)關(guān)頻率，減小L和C值，讓截止頻率盡量向高域端延伸。有人考慮用兩個(gè)非對稱(chēng)逆變器（帶變壓器）輸出雙相方波，每個(gè)逆變器的輸出電壓通過(guò)半波整流接向共同的負載，將截止頻率延伸至高域端。

開(kāi)關(guān)頻率由MOSFET的開(kāi)關(guān)時(shí)間所決定，為了提高開(kāi)關(guān)效率，使超過(guò)其極限值，在實(shí)用中可采用多相開(kāi)關(guān)方式等效提高開(kāi)關(guān)頻率的方法。但是，相數也有限制。另外，變化的原因僅在于負載一側，讓截止頻率盡量低也非常有效。為達到此目的，使用電氣雙層電容濾波器可能是今后的發(fā)展方向。當然，為此必須考慮怎樣同時(shí)降低雙層電容器的等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感。

(5)便攜式設備與燃料電池

對于手提電腦、手機、數碼相機等便攜式電器，電源是出問(wèn)題最多的部分。便攜式設備的電源一直以來(lái)是傳統電池的天下，傳統電池在輕便與長(cháng)時(shí)使用性方面，還不能充分滿(mǎn)足用戶(hù)的要求。為此，由固體高分子材料構成的燃料電池最近引起了大家的關(guān)注。燃料電池是以甲醇為燃料，鉑為催化劑，其構造為電極間夾電解質(zhì)膜，能量密度可做到鋰電池的10倍。100°C以下的工作溫度包括在常溫下可以發(fā)電，單節電壓大概為1~2V。本來(lái)用氫作燃料最理想，但從實(shí)用出發(fā)，用甲醇和鉑催化劑的組合較方便。不過(guò)其對于負載變化的跟隨性有問(wèn)題，因此為保護電極，需要與電容組合使用。

燃料電池的優(yōu)點(diǎn)是維護方便，可長(cháng)時(shí)間使用。電能不足時(shí)，僅補充燃料即可，不需要長(cháng)時(shí)間充電。

以上就低壓、大電流開(kāi)關(guān)電源為中心，對開(kāi)關(guān)電源的未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了論述。按照摩爾定律，每18個(gè)月IC的集成度會(huì )增加2倍，因此很難斷定電壓會(huì )降低到何種程度為止。如果這種趨勢無(wú)限制的持續下去，可以預想對電源的要求會(huì )越來(lái)越高。要滿(mǎn)足這些要求，首先以開(kāi)發(fā)新的半導體和電容為前提，另外從電路角度來(lái)建立元器件微細結構模型也可能成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)。因此，今后在各種層面上打破學(xué)科界線(xiàn)進(jìn)行協(xié)同研究的必要性會(huì )越來(lái)越高。

8. 低電壓、大電流DC-DC變換器模塊

IEEE Spectrum報道，2005年數據處理器所用的大規模集成電路的晶體管密度將達到1億/cm²，時(shí)鐘頻率為1GHz，特征尺寸≤100nm，參見(jiàn)表1。

表1 超大規模集成電路十年發(fā)展前景預測

為適應下一代快速微處理器、可攜式通信設備、服務(wù)器等供電的需求，要開(kāi)發(fā)大電流（50~100A）、低輸出電壓（小于1V）、電流變化率高（5A/ns）的VRM。研究新拓撲，應用高性能元器件，研究新結構和封裝技術(shù)，使體積相當的微處理器和與VRM集成封裝。圖2所示為微處理器與VRM集成的一種設想。