国内外开关电源的发展展望

西红柿

国内外开关电源的发展展望
Development of Switch Power Supply at Home and Abroad

中国电源学会 理事长

南京航空航天大学 丁道宏教授


摘要 开关电源技术在80年代引入我国，如今广泛应用于家电、通信、工业、军事、航空航天等领域，研究、开发技术水平也越来越高。介绍了开关电源发展中的市场和在21世纪的发展展望。

关键词 开关电源 器件 集成 工艺


一、强大的市场需求，始终是开关电源发展的重要动力

开关电源技术属于电力电子技术，它运用功率变换器进行电能变换。经过变换的电能，可以满足各种用电要求。由于其高效节能可带来巨大经济效益，因而引起社会各方面的重视而得到迅速推广。

以AC-DC的变换为例，与传统采用工频变换技术的相控电源相比，采用大功率开关管的高频整流电源，在技术上是一次飞跃，它不但可以方便地得到不同的电压等级，更重要的是甩掉了体大笨重的工频变压器及滤波电感电容。由于采用高频功率变换，使电源装置显著减小了体积和重量，而有可能和设备的主机体积相协调，并且使电性能得到进一步提高。正因为如此，1994年，我国原邮电部作出重大决策，要求通信领域推广使用开关电源以取代相控电源。几年来的实践已经证明，这一决策是完全正确的。开关电源的使用为国家节省了大量铜材、钢材和占地面积。由于变换效率提高，能耗减少，降低了电源周围环境的室温，改善了工作人员的环境。我国邮电通信部门广泛采用开关电源极大地推动了它在其它领域的广泛应用。值得指出的是近两年来出现的电力系统直流操作电源，是针对国家投资4000亿元用于城网、农网的供电工程改造、提高输配电供电质量而推出的，它已开始采用开关电源以取代传统的相控电源。国内一些通信公司如中兴通讯等均已相继推出系列产品。

目前，国内开关电源自主研发及生产厂家有300多家，形成规模的有十多家。国产开关电源已占据了相当市场，一些大公司如中兴通讯自主开发的电源系列产品已获得广泛认同，在电源市场竞争中颇具优势，并有少量开始出口。


二、21世纪开关电源的发展展望

能源在社会现代化方面起着关键作用。电力电子技术以其灵活的功率变换方式，高性能、高功率密度、高效率，在21世纪必将得到大力发展，而开关电源是电力电子技术中占有很大比重的一个重要方面。

1．半导体和电路器件是开关电源发展的重要支撑

功率半导体器件仍然是电力电子技术发展的“龙头”，电力电子技术的进步必须依靠不断推出的新型电力电子器件。

功率场效应管（MOSFET）由于单极性多子导电，显著地减小了开关时间，因而很容易地便可达到1MHz的开关工作频率而受到世人瞩目。但是MOSFET,提高器件阻断电压必须加宽器件的漂移区，结果使器件内阻迅速增大，器件的通态压降增高，通态损耗增大。所以只能应用于中小功率产品，为了降低通态电阻，美国IR公司做采用提高单位面积内的原胞个数的方法。如IR公司开发的一种HEXFET场效应管，其沟槽（Trench）原胞密度，已达世界最高的每平方英寸1.12亿个的水平，通态电阻R可达3毫欧。功率MOSFET，500V、TO220封装的HEXFET自1996年以来，其通态电阻以每年50%的速度下降。IR公司还开发了一种低栅极电荷（Qg）的HEXFET，使开关速度更快，同时兼顾通态电阻和栅极电荷两者同时降低，则R×Qg的下降率为每年30%。对于肖特基二极管的开发，最近利用Trench结构，有望出现压降更小的肖特基二极管，称作TMBS-沟槽MOS势垒肖特基，而有可能在极低电源电压应用中与同步整流的MOSFET竞争。

作为半导体器件的硅材料“统治”半导体器件已50年有余，硅性能潜力的进一步挖掘是很有难度的。有关半导体器件材料的研究从70年代，特别是80～90年代以来，砷化镓（GaAs）、半导体金刚石、碳化硅（SiC）的研究始终在进行着。进入90年代以后，对碳化硅的研究达到了热点。实验表明，应用SiC的半导体器件其导通电阻只有Si器件的1/200；如电压较高的硅功率MOSFET，导通压降达3～4伏，而SiC功率MOSFET，导通压降小于1伏，而关断时间小于10ns。实验表明，电压达300伏的SiC肖特基二极管（另一电极用金、钯、钛、钴均可），反向漏电流小于0.1mA/mm，而反向恢复时间几乎为零。

一段时间曾认为砷化镓很有希望取代硅半导体材料，现在实验表明，碳化硅材料性能更优越。SiC的研究所以滞后于GaAs，主要原因是SiC晶体的制造难度太大。当温度大于2000℃时，SiC尚未熔化，但到了2400℃时SiC已升华变成气体了。现在是利用升华法直接从气体状态生长晶体。目前的问题是要进一步改善SiC表面与金属的接触特性和进一步完善SiC的制造工艺，这些问题预计在5～10年内得到解决。当应用SiC制造的半导体器件得到广泛应用时，对电力电子技术的影响将会是革命性的。

变压器是电力电子产品或开关电源中重要的必不可少的部件，平面变压器是近两年才面世的一种全新产品。与常规变压器不同，平面变压器没有铜导线，代之以单层或多层印刷电路板，因而厚度远低于常规变压器，能够直接制作在印刷电路板上。其突出优点是能量密度高，因而体积大大缩小，相当于常规变压器的20%；效率高，通常为97～99%；工作频率高，从50KHz到2MHz；低漏感（小于0.2%）；低电磁干扰（EMI）等。

压电变压器是应用电能→机械能→电能的一种新型变压器，它是利用压电陶瓷电致伸缩的正向和反向特性而制成的。两片压电陶瓷紧密牢固地结合在一起，将原边交变电压加于一片压电陶瓷的水平轴线，这片压电陶瓷将产生垂直方向的机械振动而使另一片牢固结合的压电陶瓷跟着一起作垂直振动，此时将在其水平轴线方向产生电压��次级输出电压。目前这种变压器功率还不大，适用于电压较高而电流较小的应用场合，如照明灯具的起辉装置。

超容电容器是电容器件近年来的最新进展，美国的麦克韦尔公司一直保持着超容电容技术的世界领先地位。超容电容器采用了独特的金属/碳电极技术和先进的非水电解质，具有极大的电极表面和极小的相对距离。现在已开发生产出多种具有广泛适用范围的超容电容器单元和组件，单元容量小到10法拉，大到2700法拉。超容电容器可方便地串联组合成高压组件或并联组合成高能量存储组件。超容电容器组件现已可提供650伏的高压高能量应用。

超容电容器具有广泛地应用前景。使用超容电容器可以使半导体、造纸、纺织等各种工业高度自动化的制造系统免受电力波动或短暂中断所造成的巨大损失；超容电容器能为医院或公用事业单位等在必须使用应急发电机电源时，提供过渡电源，构成短期不间断电源。对于新型电能车或混合电能车，超容电容器可作为电池的补充甚至替代物。



电路集成和系统集成及封装工艺

电力电子产品或电路的发展方向是模块化、集成化。具有各种控制功能的专用芯片，近几年发展很迅速，如功率因数校正（PFC）电路用的控制芯片；软开关控制用的ZVS、ZCS芯片；移相全桥用的控制芯片；ZVT、ZCT PWM专用控制芯片；并联均流控制芯片；电流反馈控制芯片等。功率半导体器件则有功率集成电路（Power IC）和IPM。IPM以IGBT作功率开关，将控制、驱动、保护、检测电路一起封装在一个模块内。由于外部接线、焊点减少，可靠性显著提高。集成化、模块化使电源产品体积小、可靠性高，给应用带来极大方便。

电路集成的进一步发展方向是系统集成。如现在的逆变器是将200~300个零件装配在一起成为一个系统。这样做法要花很多时间和人工，成本也高，也难于做得体积很小。美国VICOR公司生产的第一代电源模块受生产技术、功率和磁元件体积、封装技术的限制，密度始终未能超过每立方英寸80瓦。近年来推出的第二代电源模块，内部结构也改为模块式，达到高度集成化和全面电脑化。功率密度已经达到了每立方英寸120瓦。电源模块内含元件只有第一代产品的1/3，由115个减为35个。第二代电源模块的控制电路只含两个元件，被称作“大脑”（Brain）。“大脑”是两片厚膜电路，由VICOR公司自己的无尘室自行开发生产，其总体积只有0.1立方英寸，取代了第一代产品中的约100个控制元件，体积缩小了60%。第二代产品中另一个突破是变压器的改良，采用屏蔽式结构和镀铜磁芯，把初级和次级线圈分置左右两边而温升很低。寄生电容和共模噪声也很低。变压器处理功率的密度达到了每立方英寸1000瓦，温升只有3℃。第二代产品功率器件的管芯直接焊接在基板上以取代第一代TO-200封装，可以提高散热效率，降低寄生电感、电容和热阻。第二代产品的集成度显然提高了，但还不是系统集成。李泽元教授领导的美国电力电子系统中心（Center of Power Electronics Systems，简称CPES）已经提出了系统集成的设想，信息传输、控制与功率半导体器件全部集成在一起，组成的元件之间不用导线联接以增加可靠性，采用三维空间热耗散的方法来改善散热，有可能将功率从低功率（几百瓦-千瓦）做到高功率（几十千瓦以上）。系统集成的结果，可以改变现在的半自动化、半人工的组装工艺而可能达到完全自动化生产。因而可以降低成本，有利于普遍地推广应用。李泽元教授正在应用这一设想，以CPES结合美国几所大学的特长，在做马达驱动的系统集成工作。系统集成的第一步是把逆变器做成一个模块，驱动电路、保护电路全部放进去；第二步是把逆变器和马达做在一起，形成一个系统集成。还有一个例子，英特的微处理器是非常领先的，这些年的发展趋势是速度更快，电压更低，而需要的电流容量一直在增加。目前英特微处理器工作电压是2-3伏/10安，操作频率是300MHz。预计两年后甚至不需要两年它的工作电压会降到1伏、电流30-50安，操作频率为1GHz。现在的做法是把开关电源紧靠在微处理器，开关电源以很快的速度提供电流给微处理器，这样尚能满足现有微处理器的要求。但将来微处理器工作电压降低，电流增加，速度加快的时候，现有的解决方法将无法达到它的要求。三年前，李泽元教授就提出要彻底解决问题，必须将开关电源与微处理器结合在一起。今天英特公司大部分人接受了这一想法而在积极促成此事。提出的构想是：开关电源紧密结合在微处理器主机板下面。这样开关电源的大小必须与微处理器相当，而现在的开关电源要比微处理器大几十倍。如何减小体积？这又面临新的挑战！

可以预计，下面几个问题是开关电源发展的永恒方向：


开关电源频率要高，这样动态响应才能快，配合高速微处理器工作是必须的；也是减小体积的重要途径。


体积要减小，变压器电感、电容都要减小体积。


效率要高，产生的热能会减少，散热会容易，容易达到高功率密度。

电力电子技术是重要的支撑科技，据美国总统科学和技术顾问委员会提出，国家关键性的科技领域有七个方面：能源、环保、资讯与通讯、生命科学、材料、交通。每一领域，无一不和电力电子有关，都在起着重要作用，而开关电源是其中的一个重要方面，有着深远的美好前景。


主要参考文献：

李泽元，21世纪的电力电子技术，在上海台达电力电子研发中心开幕酒会上的演讲，1999,6,5.
张为佐，世界功率半导体器件发展趋势，《中国电源学会通讯》，1999，4
卢伟国，刘选忠，未来电源发展的趋势及成功之路，《中国电源学会通讯》，1999，12
文 立，增加电源密度的低成本第二代电源模块，《中国电源学会通讯》，1999，10
郭庆春，平面变压器正在拓展应用领域，《今日电子》，1999，12
丁道宏，国内外开关电源的技术与市场，《电子产品世界》，1999，2