1.3 开关电源技术发展方向

（1）高性能碳化硅（SiC）功率半导体器件

碳化硅将是21世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料之一，它的优点是：禁带宽，工作温度高（可达600℃），通态电阻小，导热性能好，漏电流极小，PN结耐压高等。

（2）高频磁技术

高频开关变换器中用了多种磁元件，有许多基本问题要研究，例如：

①随着开关电源的高频化，在低频下可以忽略的某些寄生参数，在高频下将对某些电路性能（如开关尖峰能量、噪声水平等）产生重要影响。尤其是磁元件的涡流、漏电感、绕组交流电阻和分布电容等，在低频和高频下的表现有很大不同。虽然，磁理论研究已有多年历史，但高频磁技术理论作为学科前沿问题，仍受到人们的广泛重视，如磁心损耗的数学建模、磁滞回线的仿真建模、高频磁元件的计算机仿真建模和CAD、高频变压器一维和二维仿真模型等。有待研究的问题还有：高频磁元件的设计决定了高效率开关电源的性能、损耗分布和波形等。人们希望给出设计准则、方法、磁参数和结构参数与电路性能的依赖关系，明确设计的自由度与约束条件等。

②对高频磁性材料有如下要求：损耗小，散热性能好，磁性能优越。适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注，如5～6μm超薄钴基非晶态磁带，1MHz（Bm=0.1T）时，比损耗仅为0.7～1W/cm3，是MnZn高频铁氧体的1/3～1/4。纳米结晶软磁薄膜（film）也在研究中。

③研究将铁氧体或其他薄膜材料高密度集成在硅片上（ferrite on silicon），或硅材料集成在铁氧体上（silicon on ferrite），是一种磁电混合集成技术。磁电混合集成还包括利用电感箔式绕组层间分布电容实现磁元件与电容混合集成等。

（3）新型电容器

适合于功率电源系统应用的新型电容器，要求电容量大、等效串联电阻（ESR）小、体积小等。据报道，美国南卡罗里那州KEMET电子公司在20世纪90年代末，已开发出330μF新型固体钽电容，其ESR从原来的500mΩ减小到30mΩ。

（4）S4功率因数校正AC-DC开关变换技术

一般高功率因数（PF）AC-DC电源由两级组成，即在DC-DC变换器前加一级前置功率因数校正器，至少需要两个主开关管和两套控制驱动电路。对于小功率开关电源来说，总体效率低、成本高。

对于输入端功率因数要求不特别高的情况，用PFC和变换器组合电路构成小功率AC-DC开关电源，只用一个主开关管，可使PF校正到0.8以上，称为单管单级（Single Switch SingleStage，S4）PF校正AC-DC变换器。例如，一种隔离式S4PF校正AC/DC变换器，前置功率因数校正器用DCM运行的Boost变换器，后置电压调节器主电路为反激变换器，按CCM或DCM运行，两级电路合用一个主开关管。当然，如果加有源钳位或其他软开关技术，还需要一个辅助开关管，称为单级（Single Stage，S2）有隔离PF校正软开关电源。

据香港理工大学报道，S2有隔离PF校正软开关电源的实验结果如下：80W、150kHz，效率86.5%，功率因数0.98，THD13%，输入、输出电压分别为AC110V和DC28V。

（5）低电压、大电流DC-DC变换器模块

据IEEE Spectrum报道，2005年数据处理器所用的大规模集成电路晶体管密度已达到1亿/cm3，时钟频率为1GHz，特征尺寸≤100nm，见表1.1。

为适应下一代快速微处理器、可携带式通信设备、服务器等供电的需求，要开发大电流（50～100A）、低输出电压（小于1V）、电流变化率高（5A/ns）的VRM，研究新拓扑，应用高性能元器件，研究新结构和封装技术，使体积相当的微处理器与VRM集成封装。图1.7所示为微处理器与VRM集成的一种设想。

表1.1 大规模集成电路十年发展的预测

（6）大功率或大电流变换器拓扑

20世纪90年代初，人们认为400V输入，100A、48V输出的AC-DC变换器最佳拓扑为全桥式或双管正激式。加拿大北方电信曾做出200A、48V输出的全桥式AC-DC变换器。近年来人们还在继续研究大功率或大电流变换器最佳拓扑，如双向（低压大电流）DC-DC变换器拓扑和三电平DC-DC变换器拓扑等。实际上，DC-DC变换器中并没有多电平之说，这里所谓“三电平”（Three Level，TL）是借用了多电平逆变器的一个名词。以三电平半桥DC-DC变换器为例，桥臂由两个功率开关管串联，中点接有二极管，类似于三相三电平全桥逆变器一个桥臂的结构。由于双管串联，三电平DC-DC变换器的输入端电压可达800～1000V，可与前级三相APFC输出电压匹配，输出功率也大。

（7）高频开关电源的电磁兼容研究

高频开关电源的电磁兼容问题有其特殊性。通常，它涉及开关过程产生的di/dt和dv/dt，会引起强大的传导型电磁干扰和谐波干扰。有些情况还会引起强电磁场（通常是近场）辐射。不但严重污染周围电磁环境，对附近的电气设备造成电磁干扰，还可能危及附近操作人员的安全。同时，开关电源内部的控制电路也必须能承受主电路及工业应用现场电磁噪声的干扰。由于上述特殊性和测量上的具体困难，专门针对开关电源电磁兼容的研究工作，目前还处于起始阶段。显然，在电磁兼容领域，存在着许多交叉科学的前沿课题有待人们研究，如典型电路与系统的近场、传导干扰和辐射干扰建模，印制电路板和开关电源EMC优化设计软件，低中频、超音频及高频强磁场对人体健康的影响，大功率开关电源EMC测量方法的研究等。

（8）开关电源的设计、测试技术

建模、仿真和CAD是一种方便且节省的设计工具。为了对开关电源进行仿真，首先要进行仿真建模。仿真模型中应包括电力电子器件、变换器电路、数字和模拟控制电路以及磁元件和磁场分布模型、电路分布参数模型等，还要考虑开关管的热模型、可靠性模型和EMC模型。各种模型差别很大，因此建模的发展方向有数字、模拟混合建模，混合层次建模以及将各种模型组成一个统一的多层次模型（类似一个电路模型，有框图等），自动生成模型，使仿真软件具有自动建模功能，以节约用户时间。在此基础上，可建立模型库。

开关电源的CAD，包括主电路和控制电路设计、器件选择、参数最优化、磁设计、热设计、EMI设计和印制电路板设计、可靠性预估、计算机辅助综合和优化设计等。用基于仿真的专家系统进行开关电源的CAD设计，可使所设计的系统性能最优，减少设计制造费用，并能做可制造性分析，是21世纪仿真和CAD技术的发展方向之一。现在国外已开发出设计DC-DC开关变换器的专家系统和仿真用MATSPICE软件。

此外，开关电源的热测试、EMI测试、可靠性测试等技术的开发、研究与应用也是需要大力发展的。