開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展歷程的十個關(guān)注點

　　上世紀60年代，開關(guān)電源的問世，使其逐步取代了線性穩(wěn)壓電源和SCR相控電源。40多年來，開關(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、高頻化和軟開關(guān)技術(shù)、開關(guān)電源系統(tǒng)的集成技術(shù)三個發(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(tǒng)有可能實現(xiàn)高頻化，并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(guān)技術(shù)的開發(fā)研究，使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。高頻化和軟開關(guān)技術(shù)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，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊（IPEM）技術(shù)開始發(fā)展，它是當今國際電力電子界亟待解決的新問題之一。

　　關(guān)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(jié)”（Super-Junction）結(jié)構(gòu)，故又稱超結(jié)功率MOSFET。工作電壓600V～800V，通態(tài)電阻幾乎降低了一個數(shù)量級，仍保持開關(guān)速度快的特點，是一種有發(fā)展前途的高頻功率半導體器件。

　　IGBT 剛出現(xiàn)時，電壓、電流額定值只有600V、25A。很長一段時間內(nèi)，耐壓水平限于1200V～1700V，經(jīng)過長時間的探索研究和改進，現(xiàn)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(jié)構(gòu)應用新技術(shù)制造的IGBT，可工作于150kHz（硬開關(guān)）和300kHz（軟開關(guān)）。

　　IGBT的技術(shù)進展實際上是通態(tài)壓降，快速開關(guān)和高耐壓能力三者的折中。隨著工藝和結(jié)構(gòu)形式的不同，IGBT在20年歷史發(fā)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。

　　碳化硅SiC是功率半導體器件晶片的理想材料，其優(yōu)點是：禁帶寬、工作溫度高（可達600℃）、熱穩(wěn)定性好、通態(tài)電阻小、導熱性能好、漏電流極小、PN結(jié)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，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)注點二：開關(guān)電源功率密度

　　提高開關(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(shù)字相機等）尤為重要。使開關(guān)電源小型化的具體辦法有：

　　一是高頻化。為了實現(xiàn)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(xiàn)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(zhì)傳送能量，其等效電路如同一個串并聯(lián)諧振電路，是功率變換領(lǐng)域的研究熱點之一。

　　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，必須設法改進電容器的性能，提高能量密度，并研究開發(fā)適合于電力電子及電源系統(tǒng)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)注點三：高頻磁與同步整流技術(shù)

　　電源系統(tǒng)中應用大量磁元件，高頻磁元件的材料、結(jié)構(gòu)和性能都不同于工頻磁元件，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(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(jié)晶軟磁材料也已開發(fā)應用。

　　高頻化以后，為了提高開關(guān)電源的效率，必須開發(fā)和應用軟開關(guān)技術(shù)。它是過去幾十年國際電源界的一個研究熱點。

　　對于低電壓、大電流輸出的軟開關(guān)變換器，進一步提高其效率的措施是設法降低開關(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)注點四：分布電源結(jié)構(gòu)

　　分布電源系統(tǒng)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(shù)字電子交換系統(tǒng)等的電源，其優(yōu)點是：可實現(xiàn)DC/DC變換器組件模塊化；容易實現(xiàn)N+1功率冗余，提高系統(tǒng)可*性；易于擴增負載容量；可降低48V母線上的電流和電壓降；容易做到熱分布均勻、便于散熱設計；瞬態(tài)響應好；可在線更換失效模塊等。

　　現(xiàn)在分布電源系統(tǒng)有兩種結(jié)構(gòu)類型，一是兩級結(jié)構(gòu)，另一種是三級結(jié)構(gòu)。

　　關(guān)注點五：PFC變換器

　　由于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(wǎng)側(cè)（交流輸入端）功率因數(shù)僅為 0.6～0.65。采用PFC（功率因數(shù)校正）變換器，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)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)稱為有源功率因數(shù)校正APFC單相APFC國內(nèi)外開發(fā)較早，技術(shù)已較成熟；三相APFC的拓撲類型和控制策略雖然已經(jīng)有很多種，但還有待繼續(xù)研究發(fā)展。

　　一般高功率因數(shù)AC/DC開關(guān)電源，由兩級拓撲組成，對于小功率AC/DC開關(guān)電源來說，采用兩級拓撲結(jié)構(gòu)總體效率低、成本高。

　　如果對輸入端功率因數(shù)要求不特別高時，將PFC變換器和后級DC/DC變換器組合成一個拓撲，構(gòu)成單級高功率因數(shù)AC/DC開關(guān)電源，只用一個主開關(guān)管，可使功率因數(shù)校正到0.8以上，并使輸出直流電壓可調(diào)，這種拓撲結(jié)構(gòu)稱為單管單級即S4PFC變換器。