一、強(qiáng)大的市場(chǎng)需求，始終是開(kāi)關(guān)電源|穩(wěn)壓器發(fā)展的重要?jiǎng)恿?/STRONG>
開(kāi)關(guān)電源技術(shù)屬于電力電子技術(shù)，它運(yùn)用功率變換器進(jìn)行電能變換，經(jīng)過(guò)變換電能，可以滿(mǎn)足各種用電要求。由于其高效節(jié)能可帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益，因而引起社會(huì)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(kāi)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(jí)，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(shè)備的主機(jī)體積相協(xié)調(diào)，并且使電性能得到進(jìn)一步提高。正因?yàn)槿绱耍?994年我國(guó)原郵電部作出重大決策，要求通信領(lǐng)域推廣使用開(kāi)關(guān)電源以取代相控電源。幾年來(lái)的實(shí)踐已經(jīng)證明，這一決策是完全正確的。開(kāi)關(guān)電源的使用為國(guó)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?chē)h(huán)境的室溫，改善了工作人員的環(huán)境。我國(guó)郵電通信部門(mén)廣泛采用開(kāi)關(guān)電源極大地推動(dòng)了它在其它領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。值得指出的是，近兩年來(lái)出現(xiàn)的電力系統(tǒng)直流操作電源，是針對(duì)國(guó)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(kāi)始采用開(kāi)關(guān)電源以取代傳統(tǒng)的相控電源。國(guó)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(guó)內(nèi)開(kāi)關(guān)電源自主研發(fā)及生產(chǎn)廠家有300多家，形成規(guī)模的有十多家。國(guó)產(chǎn)開(kāi)關(guān)電源已占據(jù)了相當(dāng)市場(chǎng)，一些大公司如中興通訊自主開(kāi)發(fā)的電源系列產(chǎn)品已獲得廣泛認(rèn)同，在電源市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中頗具優(yōu)勢(shì)，并有少量開(kāi)始出口。
二、21世紀(jì)開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展展望
能源在社會(huì)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(jì)必將得到大力發(fā)展，而開(kāi)關(guān)電源是電力電子技術(shù)中占有很大比重的一個(gè)重要方面
1.半導(dǎo)體和電路器件是開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的重要支撐
功率半導(dǎo)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(jìn)步必須依靠不斷推出的新型電力電子器件。
功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）由于單極性多子導(dǎo)電，顯著地減小了開(kāi)關(guān)時(shí)間，因而很容易地便可達(dá)到1MHz的開(kāi)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(yīng)用于中小功率產(chǎn)品。為了降低通態(tài)電阻，美國(guó)IR公司采用提高單位面積內(nèi)的原胞個(gè)數(shù)的方法。如IR公司開(kāi)發(fā)的一種HEXFET場(chǎng)效應(yīng)管，其溝槽（Trench）原胞密度已達(dá)每平方英寸1.12億個(gè)的世界最高水平，通態(tài)電阻R可達(dá)3mΩ。功率MOSFET，500V、TO220封裝的HEXFET自1996年以來(lái)，其通態(tài)電阻以每年50%的速度下降。IR公司還開(kāi)發(fā)了一種低柵極電荷（Qg）的HEXFET，使開(kāi)關(guān)速度更快，同時(shí)兼顧通態(tài)電阻和柵極電荷兩者同時(shí)降低，則R×Qg的下降率為每年30%。對(duì)于肖特基二極管的開(kāi)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(chēng)作TMBS-溝槽MOS勢(shì)壘肖特基，而有可能在極低電源電壓應(yīng)用中與同步整流的MOSFET競(jìng)爭(zhēng)。
作為半導(dǎo)體器件的硅材料“統(tǒng)治”半導(dǎo)體器件已50年有余，硅性能潛力的進(jìn)一步挖掘是有難度的。有關(guān)半導(dǎo)體器件材料的研究從70年代開(kāi)始，特別是80～90年代以來(lái)，砷化鎵（GaAs）、半導(dǎo)體金剛石、碳化硅（SiC）的研究始終在進(jìn)行著。進(jìn)入90年代以后，對(duì)碳化硅的研究達(dá)到了熱點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，應(yīng)用SiC的半導(dǎo)體器件其導(dǎo)通電阻只有Si器件的1/200；如電壓較高的硅功率MOSFET，導(dǎo)通壓降達(dá)3～4V，而SiC功率MOSFET，導(dǎo)通壓降小于1V，而關(guān)斷時(shí)間小于10ns。實(shí)驗(yàn)表明，電壓達(dá)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(fù)時(shí)間幾乎為零。
一段時(shí)間曾認(rèn)為砷化鎵很有希望取代硅半導(dǎo)體材料?，F(xiàn)在實(shí)驗(yàn)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(dāng)溫度大于2000℃時(shí)，SiC尚未熔化，但到了2400℃時(shí)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(zhǎng)晶體，目前的問(wèn)題是要進(jìn)一步改善SiC表面與金屬的接觸特性和進(jìn)一步完善SiC的制造工藝，這些問(wèn)題預(yù)計(jì)在5～10年內(nèi)得到解決。當(dāng)應(yīng)用SiC制造的半導(dǎo)體器件得到廣泛應(yīng)用時(shí)，對(duì)電力電子技術(shù)的影響將會(huì)是革命性的。變壓器是電力電子產(chǎn)品或開(kāi)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(méi)有銅導(dǎo)線(xiàn)，代之以單層或多層印刷電路板，因而厚度遠(yuǎn)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(diǎn)是能量密度高，因而體積大大縮小，相當(dāng)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(yīng)用電能→機(jī)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(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(xiàn)，這片壓電陶瓷將產(chǎn)生垂直方向的機(jī)械振動(dòng)而使另一片牢固結(jié)合的壓電陶瓷跟著一起作垂直振動(dòng)，此時(shí)將在其水平軸線(xiàn)方向產(chǎn)生電壓次級(jí)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(yīng)用場(chǎng)合，如照明燈具的起輝裝置。超容電容器是電容器件近年來(lái)的最新進(jìn)展，美國(guó)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(dú)特的金屬/碳電極技術(shù)和先進(jìn)的非水電解質(zhì)，具有極大的電極表面和極小的相對(duì)距離?，F(xiàn)在已開(kāi)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(chǔ)組件。超容電容器組件現(xiàn)已可提供650V的高壓高能量應(yīng)用。
超容電容器具有廣泛的應(yīng)用前景。使用超容電容器可以使半導(dǎo)體、造紙、紡織等各種工業(yè)高度自動(dòng)化的制造系統(tǒng)免受電力波動(dòng)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(yīng)急發(fā)電機(jī)電源時(shí)，提供過(guò)渡電源，構(gòu)成短期不間斷電源。對(duì)于新型電能車(chē)或混合電能車(chē)，超容電容器可作為電池的補(bǔ)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(zhuān)用芯片，近幾年發(fā)展很迅速，如功率因數(shù)校正（PFC）電路用的控制芯片；軟開(kāi)關(guān)控制用的ZVS、ZCS芯片；移相全橋用的控制芯片；ZVT、ZCTPWM專(zhuān)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(dǎo)體器件則有功率集成電路（PowerIC）和IPM。IPM以IGBT作功率開(kāi)關(guān)，將控制、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、檢測(cè)電路一起封裝在一個(gè)模塊內(nèi)。由于外部接線(xiàn)、焊點(diǎn)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(yīng)用帶來(lái)極大方便。
電路集成的進(jìn)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(gè)零件裝配在一起成為一個(gè)系統(tǒng)。這樣做法要花很多時(shí)間和人工，成本也高，也難于做得體積很小。美國(guó)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(guò)每立方英寸80W。近年來(lái)，推出的第二代電源模塊，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也改為模塊式，達(dá)到高度集成化和全面電腦化。功率密度已經(jīng)達(dá)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(gè)減為35個(gè)。第二代電源模塊的控制電路只含兩個(gè)元件，被稱(chēng)作“大腦”（Brain）?！按竽X”是兩片厚膜電路，由VICOR公司自己的無(wú)塵室自行開(kāi)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(gè)控制元件，體積縮小了60%。第二代產(chǎn)品的另一個(gè)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(jí)和次級(jí)線(xiàn)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(dá)到了每立方英寸1000W，溫升只有3℃。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(dǎo)的美國(guó)電力電子系統(tǒng)中心（CenterofPowerElectronicsSystems,簡(jiǎn)稱(chēng)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(dǎo)體器件全部集成在一起，組成的元件之間不用導(dǎo)線(xiàn)聯(lián)接以增加可靠性，采用三維空間熱耗散的方法來(lái)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(jié)果，可以改變現(xiàn)在的半自動(dòng)化、半人工的組裝工藝而可能達(dá)到完全自動(dòng)化生產(chǎn)，因而可以降低成本，有利于普遍地推廣應(yīng)用。李澤元教授正在應(yīng)用這一設(shè)想，以CPES結(jié)合美國(guó)幾所大學(xué)的特長(zhǎng)，在做電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)模塊，驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路全部放進(jìn)去；第二步是把逆變器和電機(jī)做在一起，形成一個(gè)系統(tǒng)集成。還有一個(gè)例，英特的微處理器是非常領(lǐng)先的，這些年的發(fā)展趨勢(shì)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(yù)計(jì)兩年后甚至不需要兩年，它的工作電壓會(huì)降到1V、電流30～50A，操作頻率為1GHz?，F(xiàn)在的做法是把開(kāi)關(guān)電源緊靠在微處理器，開(kāi)關(guān)電源以很快的速度提供電流給微處理器，這樣尚能滿(mǎn)足現(xiàn)有微處理器的要求。但將來(lái)微處理器工作電壓降低，電流增加，速度加快的時(shí)候，現(xiàn)有的解決方法將無(wú)法達(dá)到它的要求。三年前，李澤元教授就提出要徹底解決問(wèn)題，必須將開(kāi)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(kāi)關(guān)電源緊密結(jié)合在微處理器主機(jī)板下面。這樣開(kāi)關(guān)電源的大小必須與微處理器相當(dāng)，而現(xiàn)在的開(kāi)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(yù)計(jì)，下面幾個(gè)問(wèn)題是開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的永恒方向：
（1）開(kāi)關(guān)電源頻率要高，這樣動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(huì)減少，散熱會(huì)容易，容易達(dá)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(guó)總統(tǒng)科學(xué)和技術(shù)顧問(wèn)委員會(huì)提出，國(guó)家關(guān)鍵性的科技領(lǐng)域有七個(gè)方面：能源、環(huán)保、資訊與通信、生命科學(xué)、材料和交通。每一領(lǐng)域無(wú)一不和電力電子有關(guān)，都在起著重要作用，而開(kāi)關(guān)電源是其中的一個(gè)重要方面，有著深遠(yuǎn)的美好前景。
