開關(guān)電源模塊一直是電子行業(yè)里非常熱門的技術(shù)，而它的發(fā)展趨勢(shì)又是大家必須時(shí)刻關(guān)注的問題，不然一不留神就會(huì)跟不上技術(shù)發(fā)展的步伐。下面簡(jiǎn)單說下開關(guān)電源模塊技術(shù)發(fā)展中的幾個(gè)要點(diǎn)。

要點(diǎn)一：功率半導(dǎo)體器件性能

例如1998年Infineon公司推出冷mos管，它采用超級(jí)結(jié)（Super-Junction）結(jié)構(gòu)，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(gè)數(shù)量級(jí)，仍保持開關(guān)速度快的特點(diǎn)，是一種有發(fā)展前途的高頻功率半導(dǎo)體電子器件。

IGBT剛出現(xiàn)時(shí)，電壓、電流額定值只有600V、25A，很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，耐壓水平限于1200V～1700V。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的探索研究和改進(jìn)，現(xiàn)在IGBT的電壓、電流額定值已分別達(dá)到3300V/1200A和4500V/1800A，高壓IGBT單片耐壓已達(dá)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(yīng)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(jìn)展實(shí)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(jìn)程中，有穿通（PT）型、非穿通（NPT）型、軟穿通（SPT）型、溝漕型和電場(chǎng)截止（FS）型等幾種類型。

碳化硅SiC是功率半導(dǎo)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(dá)600℃）、熱穩(wěn)定性好、通態(tài)電阻小、導(dǎo)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(dǎo)體電子元器件。

要點(diǎn)二：開關(guān)電源模塊功率密度

提高開關(guān)電源模塊的功率密度，使之小型化、輕量化，是人們不斷努力追求的目標(biāo)。電源的小型化、減輕重量對(duì)便攜式電子設(shè)備尤為重要。使開關(guān)電源模塊小型化的具體辦法有高頻化，為了實(shí)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(chǔ)能元件的體積重量。

或是應(yīng)用壓電變壓器，應(yīng)用壓電變壓器可使高頻功率變換器實(shí)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(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。

為了減小電力電子設(shè)備的體積和重量，必須設(shè)法改進(jìn)電容器的性能，提高能量密度，并研究開發(fā)適合于電力電子及模塊電源系統(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。

要點(diǎn)三：高頻磁與同步整流技術(shù)

電源系統(tǒng)中應(yīng)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(duì)高頻磁元件所用磁性材料有損耗小，散熱性能好，磁性能優(yōu)越等要求。適用于兆赫級(jí)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(yīng)用。高頻化以后，為了提高開關(guān)電源模塊的效率，必須開發(fā)和應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)。對(duì)于低電壓、大電流輸出的軟開關(guān)變換器，進(jìn)一步提高其效率的措施是設(shè)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。

要點(diǎn)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、大型數(shù)字電子交換系統(tǒng)等的電源。其優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)DC-DC變換器組件模塊化，容易實(shí)現(xiàn)N+1功率冗余，易于擴(kuò)增負(fù)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(shè)計(jì)，瞬態(tài)響應(yīng)好，可在線更換失效模塊等。現(xiàn)在分布電源系統(tǒng)有兩級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)兩種類型。

要點(diǎn)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(shí)，單相整流電源供電的電子設(shè)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(guó)內(nèi)外開發(fā)較早，技術(shù)已較成熟。三相APFC的拓?fù)漕愋秃涂刂撇呗噪m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)電源模塊，由兩級(jí)拓?fù)浣M成，對(duì)于小功率AC-DC開關(guān)電源模塊來說，采用兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總體效率低、成本高。如果對(duì)輸入端功率因數(shù)要求不特別高時(shí)，將PFC變換器和后級(jí)DC-DC變換器組合成一個(gè)拓?fù)洌瑯?gòu)成單級(jí)高功率因數(shù)AC-DC開關(guān)電源模塊，只用一個(gè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)稱為單管單級(jí)即S4PFC變換器。

要點(diǎn)六：電壓調(diào)節(jié)器模塊VRM

電壓調(diào)節(jié)器模塊是一類低電壓、大電流輸出DC-DC變換器模塊，向微處理器提供電源。現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的速度和效率日益提高，為降低微處理器IC的電場(chǎng)強(qiáng)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(dá)50A～100A，所以對(duì)VRM有輸出電壓很低、輸出電流大、電流變化率高、快速響應(yīng)等要求。

要點(diǎn)七：全數(shù)字化控制

電源的控制已經(jīng)由模擬控制，模數(shù)混合控制，進(jìn)入到全數(shù)字控制階段。全數(shù)字控制是一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)，已經(jīng)在許多功率變換設(shè)備中得到應(yīng)用，但是過去數(shù)字控制在DC-DC變換器中用得較少。近年來，電源的高性能全數(shù)字控制芯片已經(jīng)開發(fā)，費(fèi)用也已降到比較合理的水平，歐美已有多家公司開發(fā)并制造出開關(guān)變換器的數(shù)字控制芯片及軟件。全數(shù)字控制的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)字信號(hào)與混合模數(shù)信號(hào)相比可以標(biāo)定更小的量，芯片價(jià)格也更低廉。對(duì)電流檢測(cè)誤差可以進(jìn)行精確的數(shù)字校正，電壓檢測(cè)也更精確，可以實(shí)現(xiàn)快速，靈活的控制設(shè)計(jì)。

要點(diǎn)八：電磁兼容性

高頻開關(guān)電源模塊的電磁兼容EMC問題有其特殊性，功率半導(dǎo)體開關(guān)管在開關(guān)過程中產(chǎn)生的di/dt和dv /dt，引起強(qiáng)大的傳導(dǎo)電磁干擾和諧波干擾。有些情況還會(huì)引起強(qiáng)電磁場(chǎng)（通常是近場(chǎng)）輻射，不但嚴(yán)重污染周圍電磁環(huán)境，對(duì)附近的電氣設(shè)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（如開關(guān)變換器）內(nèi)部的控制電路也必須能承受開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的EMI及應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)電磁噪聲的干擾。上述特殊性再加上EMI測(cè)量上的具體困難，在電力電子的電磁兼容領(lǐng)域里，存在著許多科學(xué)的前沿課題有待人們研究。近幾年研究成果表明，開關(guān)變換器中的電磁噪音源，主要來自主開關(guān)器件的開關(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。

要點(diǎn)九：設(shè)計(jì)和測(cè)試技術(shù)

建模、仿真和CAD是一種新的設(shè)計(jì)工具。為仿真電源系統(tǒng)，首先要建立仿真模型，包括電力電子器件、變換器電路、數(shù)字和模擬控制電路以及磁元件和磁場(chǎng)分布模型等，還要考慮開關(guān)管的熱模型、和EMC模型等。各種模型差別很大，建模的發(fā)展方向是數(shù)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(tǒng)一的多層次模型等。

模塊電源系統(tǒng)的CAD包括主電路和控制電路設(shè)計(jì)、元器件選擇、參數(shù)最優(yōu)化、磁設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、EMI設(shè)計(jì)和印制電路板設(shè)計(jì)、預(yù)估、計(jì)算機(jī)輔助綜合和優(yōu)化設(shè)計(jì)等。用基于仿真的專家系統(tǒng)進(jìn)行電源系統(tǒng)的CAD，可使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能最優(yōu)，減少設(shè)計(jì)制造費(fèi)用，并能做可制造性分析，是仿真和CAD技術(shù)的發(fā)展方向之一。此外電源系統(tǒng)的熱測(cè)試、EMI測(cè)試等技術(shù)的開發(fā)、研究與應(yīng)用也是應(yīng)大力發(fā)展。

要點(diǎn)十：系統(tǒng)集成技術(shù)

電源設(shè)備的制造特點(diǎn)是非標(biāo)準(zhǔn)件多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、成本高等，而用戶要求電源廠家生產(chǎn)的電源產(chǎn)品更加實(shí)用、更輕小、成本更低等。這些情況使模塊電源廠家承受巨大壓力，迫切需要開展高集成電源模塊的研究開發(fā)，使電源產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、可制造性、規(guī)模生產(chǎn)、降低成本等目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。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(dǎo)體器件模塊化，功率與控制電路的集成化，集成無源元件（包括磁集成技術(shù)）等發(fā)展階段。近年來的發(fā)展方向是將小功率電源系統(tǒng)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，也減小了引線長(zhǎng)度，從而減小了寄生參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)一體化，所有元器件連同控制保護(hù)集成在一個(gè)模塊中。
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