0 引言
開關穩壓電源(以下簡稱開關電源)問世後，在很多領域逐步取代了線性穩壓電源和晶閘管相控電源。早期出現的是串聯型開關電源，其主電路拓撲與線性電源相仿，但功率晶體管工作於開關狀態。隨著脈寬調制(PWM)技術的發展，PWM開關電源問世，它的特點是用20kHz的載波進行脈沖寬度調制，電源的效率可達65%~70%，而線性電源的效率只有30％~40％。因此，用工作頻率為20 kHz的PWM開關電源替代線性電源，可大幅度節約能源，從而引起了人們的廣泛關註，在電源技術發展史上被譽為20kHz革命。 隨著超大規模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不斷減小，電源的尺寸與微處理器相比要大得多；而航天、潛艇、軍用開關電源以及用電池的便攜式電子設備(如手提計算機、移動電話等)更需要小型化、輕量化的電源。因此，對開關電源提出了小型輕量要求，包括磁性元件和電容的體積重量也要小。此外，還要求開關電源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。這壹切高新要求便促進了開關電源的不斷發展和進步。
1 開關電源的三個重要發展階段
40多年來，開關電源經歷了三個重要發展階段。
第壹個階段是功率半導體器件從雙極型器件(BPT、SCR、GT0)發展為MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等)，使電力電子系統有可能實現高頻化，並大幅度降低導通損耗，電路也更為簡單。
第二個階段自20世紀80年代開始，高頻化和軟開關技術的研究開發，使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。高頻化和軟開關技術是過去20年國際電力電子界研究的熱點之壹。
第三個階段從20世紀90年代中期開始，集成電力電子系統和集成電力電子模塊(IPEM)技術開始發展，它是當今國際電力電子界亟待解決的新問題之壹。
2 開關電源技術的亮點
2.1 功率半導體器件性能
1998年，Infineon公司推出冷MOS管，它采用“超級結”(Super-Junction)結構，故又稱超結功率MOSFET。工作電壓600~800V，通態電阻幾乎降低了壹個數量級，仍保持開關速度快的特點，是壹種有發展前途的高頻功率半導體器件。
IGBT剛出現時，電壓、電流額定值只有600V、25A。很長壹段時間內，耐壓水平限於1200~1700V，經過長時間的探索研究和改進，現在IGBT的電壓、電流額定值已分別達到3300V／1200A和4500V／1800A，高壓IGBT單片耐壓已達到6500V，壹般IGBT的工作頻率上限為20~40kHz，基於穿通(PT)型結構應用新技術制造的IGBT，可工作於150kHz(硬開關)和300kHz(軟開關)。
IGBT的技術進展實際上是通態壓降，快速開關和高耐壓能力三者的折中。隨著工藝和結構形式的不同，IGBT在20年的發展進程中，有以下幾種類型：穿通(PT)型、非穿通(NPT)型、軟穿通(SPT)型、溝漕型和電場截止(FS)型。
碳化矽(SiC)是功率半導體器件晶片的理想材料，其優點是禁帶寬、工作溫度高(可達600℃)、熱穩定性好、通態電阻小、導熱性能好、漏電流極小、PN結耐壓高等，有利於制造出耐高溫的高頻大功率半導體器件。
可以預見，碳化矽將是21世紀最可能成功應用的新型功率半導體器件材料。
2.2 開關電源功率密度
提高開關電源的功率密度，使之小型化、輕量化，是人們不斷追求的目標。這對便攜式電子設備(如移動電話，數字相機等)尤為重要。使開關電源小型化的具體辦法有以下幾種。
壹是高頻化。為了實現電源高功率密度，必須提高PWM變換器的工作頻率、從而減小電路中儲能元件的體積重量。
二是應用壓電變壓器。應用壓電變壓器可使高頻功率變換器實現輕、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”變換和“振動-電壓”變換的性質傳送能量，其等效電路如同壹個串並聯諧振電路，是功率變換領域的研究熱點之壹。
三是采用新型電容器。為了減小電力電子設備的體積和重量，須設法改進電容器的性能，提高能量密度，並研究開發適合於電力電子及電源系統用的新型電容器，要求電容量大、等效串聯電阻(ESR)小、體積小等。
2.3 高頻磁性元件
電源系統中應用大量磁元件，高頻磁元件的材料、結構和性能都不同於工頻磁元件，有許多問題需要研究。對高頻磁元件所用的磁性材料，要求其損耗小、散熱性能好、磁性能優越。適用於兆赫級頻率的磁性材料為人們所關註，納米結晶軟磁材料也已開發應用。
2.4 軟開關技術
高頻化以後，為了提高開關電源的效率，必須開發和應用軟開關技術。它是過去幾十年國際電源界的壹個研究熱點。
PWM開關電源按硬開關模式工作(開／關過程中電壓下降／上升和電流上升／下降波形有交疊)，因而開關損耗大。高頻化雖可以縮小體積重量，但開關損耗卻更大了。為此，必須研究開關電壓／電流波形不交疊的技術，即所謂零電壓開關(ZVS)／零電流開關(ZCS)技術，或稱軟開關技術，小功率軟開關電源效率可提高到800%~85%。上世紀70年代諧振開關電源奠定了軟開關技術的基礎。隨後新的軟開關技術不斷湧現，如準諧振(上世紀80年代中)全橋移相ZVS-PWM，恒頻ZVS-PWM／ZCS-PWM(上世紀80年代末)ZVS-PWM有源嵌位；ZVT-PWM／ZCT-PWM(上世紀90年代初)全橋移相ZV-ZCS-PWM(上世紀90年代中)等。我國已將最新軟開關技術應用於6kW通信電源中，效率達93％。
2.5 同步整流技術
對於低電壓、大電流輸出的軟開關變換器，進壹步提高其效率的措施是設法降低開關的通態損耗。例如同步整流(SR)技術，即以功率MOS管反接作為整流用開關二極管，代替蕭特基二極管(SBD)，可降低管壓降，從而提高電路效率。
2.6 功率因數校正(PFC)變換器
由於AC／DC變換電路的輸入端有整流器件和濾波電容，在正弦電壓輸入時，單相整流電源供電的電子設備，電網側(交流輸入端)功率因數僅為0.6-0.65。采用功率因數校正(PFC)變換器，網側功率因數可提高到0.95~0.99，輸入電流THD<10％。既治理了對電網的諧波汙染，又提高了電源的整體效率。這壹技術稱為有源功率因數校正(APFC)，單相APFC國內外開發較早，技術已較成熟；三相APFC的拓撲類型和控制策略雖然已經有很多種，但還有待繼續研究發展。
壹般高功率因數AC／DC開關電源，由兩級拓撲組成，對於小功率AC／DC開關電源來說，采用兩級拓撲結構總體效率低、成本高。如果對輸入端功率因數要求不特別高時，將PFC變換器和後級DC／DC變換器組合成壹個拓撲，構成單級高功率因數AC／DC開關電源，只用壹個主開關管，可使功率因數校正到0.8以上，並使輸出直流電壓可調，這種拓撲結構稱為單管單級PFC變換器。
2.7 全數字化控制
電源的控制已經由模擬控制，模數混合控制，進入到全數字控制階段。全數字控制是發展趨勢，已經在許多功率變換設備中得到應用。
全數字控制的優點是數字信號與混合模數信號相比可以標定更小的量，芯片價格也更低廉；對電流檢測誤差可以進行精確的數字校正，電壓檢測也更精確；可以實現快速，靈活的控制設計。
近兩年來，高性能全數字控制芯片已經開發，費用也已降到比較合理的水平，歐美已有多家公司開發並制造出開關變換器的數字控制芯片及軟件。
2.8 電磁兼容性
高頻開關電源的電磁兼容(EMC)問題有其特殊性。功率半導體器件在開關過程中所產生的di／dt和dv／dt，將引起強大的傳導電磁幹擾和諧波幹擾，以及強電磁場(通常是近場)輻射。不但嚴重汙染周圍電磁環境，對附近的電氣設備造成電磁幹擾，還可能危及附近操作人員的安全。同時，電力電子電路(如開關變換器)內部的控制電路也必須能承受開關動作產生的EMI及應用現場電磁噪聲的幹擾。上述特殊性，再加上EMI測量上的具體困難，在電力電子的電磁兼容領域裏，存在著許多交叉學科的前沿課題有待人們研究。國內外許多大學均開展了電力電子電路的電磁幹擾和電磁兼容性問題的研究，並取得了不少可喜成果。
2.9 設計和測試技術
建模、仿真和CAD是壹種新的設計研究工具。為了仿真電源系統，首先要建立仿真模型，包括電力電子器件、變換器電路、數字和模擬控制電路以及磁元件和磁場分布模型等，還要考慮開關管的熱模型、可靠性模型和EMC模型。各種模型差別很大，建模的發展方向是數字壹模擬混合建模、混合層次建模以及將各種模型組成壹個統壹的多層次模型等。
電源系統的CAD，包括主電路和控制電路設計、器件選擇、參數最優化、磁設計、熱設計、EMI設計和印制電路板設計、可靠性預估、計算機輔助綜合和優化設計等。用基於仿真的專家系統進行電源系統的CAD，可使所設計的系統性能最優，減少設計制造費用，並能做可制造性分析，是21世紀仿真和CAD技術的發展方向之壹。此外，電源系統的熱測試、EMI測試、可靠性測試等技術的開發、研究與應用也是應大力發展的。
2.10 系統集成技術
電源設備的制造特點是非標準件多、勞動強度大、設計周期長、成本高、可靠性低等，而用戶要求制造廠生產的電源產品更加實用、可靠性更高、更輕小、成本更低。這些情況使電源制造廠家承受巨大壓力，迫切需要開展集成電源模塊的研究開發，使電源產品的標準化、模塊化、可制造性、規模生產、降低成本等目標得以實現。
實際上，在電源集成技術的發展進程中，已經經歷了電力半導體器件模塊化，功率與控制電路的集成化，集成無源元件(包括磁集成技術)等發展階段。近年來的發展方向是將小功率電源系統集成在壹個芯片上，可以使電源產品更為緊湊，體積更小，也減小了引線長度，從而減小了寄生參數。在此基礎上，可以實現壹體化，所有元器件連同控制保護集成在壹個模塊中。
上世紀90年代，隨著大規模分布電源系統的發展，壹體化的設計觀念被推廣到更大容量、更高電壓的電源系統集成，提高了集成度，出現了集成電力電子模塊(IPEM)。IPEM將功率器件與電路、控制以及檢測、執行等單元集成封裝，得到標準的，可制造的模塊，既可用於標準設計，也可用於專用、特殊設計。優點是可快速高效為用戶提供產品，顯著降低成本，提高可靠性。
3 結語
以上簡要回顧了開關電源發展的歷程和技術亮點，相信未來開關電源的理論與技術發展將會有更輝煌的成就