1.2 20世纪推动开关电源发展的主要技术

1.2.1 新型功率半导体器件

20世纪90年代，功率半导体器件有许多新的进展，主要有以下几方面。

①功率MOSFET和IGBT已完全可代替功率晶体管（GTR）和中小电流的晶闸管，使实现开关电源高频化有了可能。超快恢复功率二极管和MOSFET同步整流技术的开发，也为研制高效率或低电压输出的开关电源创造了条件。

②功率半导体器件的水平超过预测，电压、电流额定值分别达到：IGBT—3300V， 1200A和2500V，1800A；PowerMOS-FET—500V，240A；GCT（Gate Commutated Turn-off Thyristor）—4.5kV，4kA，可望取代GTO；二极管—5000V，4000A。

③功率半导体器件的晶片理想材料是碳化硅（SiC），已做出25mm，40mm晶片，并试制出一批SiC器件样品，如肖特基二极管—1750V，70mA，正向压降VF=1.3V；功率MOS-FET—750V，15mA，R∞=66mΩ·cm2；晶闸管—950V，6A，通态压降3.67V。但SiC器件要达到实用化的要求，还需要一定时间，价格要进一步下降，如小于100美元/片。

④20世纪80年代，将功率器件与驱动、智能控制、保护、逻辑电路等集成封装，称为智能功率模块（IPM）或智能功率集成电路（SmartPowerIC）。它与VLSI的区别是，IPM工作电压高，可达15V，环境温度可达+125℃。

20世纪90年代，大规模分布电源系统的发展将IPM的设计观念推广到更大容量、更高电压的集成电力电子电路，并提高了集成度，称为集成电力电子模块（IPEM）。它将功率器件与电路、控制，以及检测、执行等元器件集成封装，得到标准的、可制造的模块，既可用于标准设计，也可用于专用、特殊设计。优点是可快速高效为用户提供产品，显著降低成本，提高可靠性。

进入21世纪，功率半导体器件的商业化水平已经很高，IGBT容量已达4500A/1700V，能够耗散15kW功率；IPM智能功率模块7单元150A、1200V已经流通多年。功率MOS-FET、快恢复二极管、整流桥、驱动IC等都不可同日而语。这些开关电源基础器件的长足进步，为开关电源的发展提供了重要的物质保证。

1.2.2 软开关技术

PWM开关电源按硬开关模式工作，开关过程中，开关器件的电压和电流波形有交叠，因而开关损耗大。PWM开关电源高频化可以缩小体积和质量，但频率越高，开关损耗越大。为此必须研究开关电压和电流波形不交叠的技术，即所谓零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）技术，又称软开关技术（相对于PWM硬开关技术而言）。

20世纪90年代中期，30A/48V开关变换器采用移相全桥ZVS-PWM技术后，质量为7kg，比用PWM技术的同类产品下降40%。软开关技术的开发和应用提高了开关电源的效率，据说，最近国外小功率DC-DC开关电源模块（48V/12V）总效率可达96%，48/5V产品可达92%～93%。20世纪末，国产的通信用50～100A输出、全桥移相ZVZCS-PWM开关电源模块的效率超过93%。

1994年2月，IEEE电力电子学会组织“功率变换技术2000年展望专题研讨会”，就DC-DC及AC-DC功率变换器的发展趋势与需求进行探讨。会议指出，“高功率密度DC-DC零电压开关变换器”与开关器件性能、无源元器件性能、封装技术等有很大关系。并预测，与1994年对比，到2000年，在保证可靠性增加一倍的基础上，功率变换器成本将降低一半，功率密度可提高一倍。现在，开关变换器产品已超过这一目标。

1.2.3 控制技术

由于开关变换器的强非线性，以及它具有的离散和变结构的特点，负载性质也是多变的，主电路的性能必须满足负载大范围的变化，所有这些使开关变换器的控制问题和控制器的设计较为复杂。一些新的控制方法，如自适应、模糊控制、神经网络控制及各种调制策略在开关电源中的应用，已引起人们的注意。

电流型控制及多环控制（multi-loop control）已在开关电源中得到较广泛的应用；电荷控制（charge control）、一周期控制（one cycle control）、H∞控制、DSP控制等技术的开发及相应专用集成控制芯片的研制，使开关电源动态性能有很大提高，电路也大幅度简化。

1.2.4 有源功率因数校正技术

由于输入端有整流元件和滤波电容，一大类整流电源供电的电子设备，其电网侧（输入端）功率因数仅为0.65，而用有源功率因数校正技术（简称APFC）可提高到0.95～0.99，既治理了电网的谐波“污染”，又提高了电源的整体效率。单相APFC国内外开发较早，技术已较成熟；三相APFC则类型较多，还有待发展。

国内通信电源专业工厂已将有源功率因数校正技术应用于输出6kW、100A的一次电源中，输入端功率因数可达0.92～0.93。

1.2.5 高频磁元件

1.平面磁心及平面变压器技术

平面变压器适用于薄型（low profile）高频开关变换器，其厚度小于lcm，呈扁平状。平面变压器要求磁心、绕组都是平面结构，如图1.1所示。绕组采用铜箔或板形印制电路，省去绕组骨架，有利于散热，漏感LIK小，集肤效应损耗小，用于便携式（por-table）电子设备电源及板上电源。平面变压器的性能与诸多因素有关，如绕组结构与布置、端部设计、铜片厚度、磁心几何尺寸等。现在国际上正在用二维有限元法研究RAC和LIK。设计最小的绕组结构，并开发平面变压器的优化设计软件等。

据报道，国外已有多家公司开发了平面变压器。5W～20kW平面变压器的体积及功率密度仅为传统高频变压器的20%，一个手提箱内可放总功率达几十千瓦的十几种平面变压器。效率为97%～99%；工作频率为50kHz～2MHz；漏感小于0.2%；EMI很小。

2.集成磁元件

将多个磁元件（如变压器和电感）集成在一个磁心上如图1.2所示，称为集成TL磁元件，可减少变换器体积，降低损耗。

国外已有集成磁元件（Integrated Magnetics，IM）变换器，功率为50W，有5V及15V两路输出的正激IM变换器，频率为100kHz，变压器和输出滤波电感集成在一个磁心上。例如，应用混合功率封装技术和集成磁技术使航空用0.5MHz、薄型100W半桥式DC-DC变换器的厚度仅0.21in，功率密度达150W/in3。南非Hofsajer（PESC，1997）报道了研究集成磁电元件的成果，将5kV·A、f=25kHz串联谐振变换器的LC谐振元件（C=500nF，L=60μH）和变压器（电压比430：80）集成在一个平面磁心上，称为LCT集成元件。

另一种集成磁技术是阵列式磁元件，将电路中磁元件离散化，形成分布式阵列布置，或形成磁结构层，便磁结构与电路板或其他器件紧密配合，实现集成化。

3.用微加工（micro-fabrication）技术研制兆赫级高频变换器的磁元件

微加工是指Fine Patterning和薄膜制作技术，可减少磁心和绕组中的损耗，使变压器面积小于10mm2，还有可能像VLSI那样制造集成功率电子电路，将磁元件、功率电路、控制电路集成在硅片上。借用录音磁带的薄膜合金材料，可使高频磁元件的磁密增高。加州大学Berkely分校微加工实验室已研制成10MHz变压器，开发了最优设计软件，变压器单位面积功率为20W/cm2，效率可达90%以上。

4.压电变压器

压电（piezo-electric）变压器简称PET，实际上已不属于磁元件的范围。它是利用压电陶瓷材料的电压-机械振动-电压变换性质传送能量的。在高频功率变换器中应用，可实现轻、小、薄和高功率密度，是20世纪90年代国际功率变换领域的热点之一。研究内容包括压电材料的损耗评估、PET设计计算方法、仿真、参数分析、有限元分析、振动速度极限，PET的高频性能等。PET在高频变换器中的应用已有报道，如输出24W、12V的2MHzDC-DC变换器（其中PET电压比为5：1）；输出2W，1200V的日光灯电源（PET电压比为1：20）；冷阴极荧光灯和霓虹灯逆变器等。图1.3所示为DC-DC变换器中的PET，其输入为有源钳位ZVS逆变电路，产生梯形波交流电，输出为整流滤波电路，类似串并联谐振电路。

1.2.6 饱和电感的应用

饱和电感有两种：可控饱和电感和自饱和（self-saturable）电感，前者习惯称为磁放大器。

20世纪80年代，由于高频磁性材料，如非晶态软磁合金、超微晶勒磁合金等的发展，使有可能在多路输出的高频（＞l00kHz）开关电源中，用高频可控饱和电感作为其中一路输出（如5V）的电压调节元件，主要输出（如12V）仍用PWM控制，如图1.4所示。由高频可控饱和电感组成的电路称为后置调节器（post-regulator）或磁放大（magamp）调节器，但这里并未按放大器原理工作，因此称为“磁调节器”较合适。其优点是电路简单、EMI小、可靠、高效，可较精确地调节输出电压，特别适合应用于输出电流为1A到几十安的开关电源。

自饱和电感即带铁心（无空隙）的线圈，其特点是电感量随通过的电流大小自动变化，电流足够大时，铁心自动进入饱和状态。如果铁心磁特性是理想的（如呈矩形），则自饱和电感类似一个磁“开关”。在开关电源中，应用自饱和电感和变压器二次侧输出整流管串联，如图1.5所示，可消除二次寄生振荡，减少循环能量，吸收浪涌，抑制尖峰，使整流管损耗减小。

此外，自饱和电感在移相全桥ZVS-PWM开关电源中可作为谐振电感，扩大轻载下满足ZVS条件的范围，并使其占空比损失最小；在变压器一次侧串接电容和自饱和电感，可实现混合ZVZCS-PWM控制。

1.2.7 低电压、大电流输出DC-DC变换器

数据处理系统的速度和效率日益提高，新一代微处理器的逻辑电压低至1.1～1.8V，而电流可达50～100A，其供电电源——低电压、大电流输出DC-DC变换器模块，又称为电压调整器模块（Voltage Regulator Module，VRM）。新一代微处理器对VRM的要求是输出电压很低、输出电流大、电流变化率高、响应快等。

①为降低IC的电场强度和功耗，必须降低微处理器供电电压，因此VRM的输出电压要从传统的3V左右降低到小于2V，甚至1V。

②运行时，电源输入电流大于100A，由于存在寄生L、C参数，电压扰动大，应尽量减少L的影响。

③微处理器启/停频繁，不断从休眠状态启动，工作，再进入休眠状态。因此要求VRM电流从0突变到50A，又突降到0，电流变化率达5A/ns。

④设计时应控制扰动电压≤10%，允许输出电压变化范围在±2%之间。

线路的寄生阻抗、电容的ESR和ESL对VRM在负载变化过程中的电压调整影响很大，必须研制高频、高功率密度和快速的新型VRM。现在已有多种拓扑问世，如同步整流Buck变换器（用功率MOS管作为开关二极管）；为防止电流大幅度变化时由于高频寄生参数引起输出电压扰动，增大输出滤波电容、电感；多输入通道（multi-channel或multi-phase）DC-DC变换器，如图1.6所示，应用波形交错（interleaving）技术，保证VRM输出纹波小，改善输出瞬态响应，并可减小输出滤波电感和电容。

1.2.8 分布电源及并联均流技术

分布电源技术是通过250～425V/48VDC-DC变换器和48V母线电压给负载板（board）供电，再通过板上（on board）若干个并联的薄型DC-DC变换器，将48V变换为负载所需的3～5V。一般DC-DC变换器的功率密度达100W/in3，效率为90%，并且应是可并联的。分布电源系统适合于用超高速集成电路组成的大型工作站（如图像处理站）、大型数字电子交换系统等。其优点是，可降低48V母线上的电流和电压降；容易实现N+l冗余，提高了系统可靠性；易于扩增负载容量；散热好；瞬态响应好；减少电解电容器数量；可实现DC-DC变换器组件模块化；易于使用插件连接；可在线（online）更换失效模块等。

1.2.9 电源智能化技术

电子电源微处理器监控、电源系统内部通信、电源系统智能化等技术的应用，在国内外均已较成熟。

以上简要回顾了20世纪开关电源发展的历程和取得的成就。上述各项技术的应用，尤其是开发高功率密度、高效率、高性能、高可靠性以及智能化电源系统，仍然是今后开关电源的发展趋势。

1.2.10 开关电源的EMI与EMC

美国Virginia工学院、香港大学、浙江大学和清华大学等均开展了开关电源的EMI与EMC问题研究，并取得了不少可喜成果。