国内外开关电源的发展展望

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）原胞密度已达每平方英寸1.12亿个的世界最高水平，通态电阻R可达3mΩ。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有难度的。有关半导体器件材料的研究从70年代开始，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3～4V，而SiC功率MOSFET，导通压降小于1V，而关断时间小于10ns。实验表明，电压达300V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。

　　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10F，大到2700F。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650V的高压高能量应用。

　　超容电容器具有广泛的应用前景。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。