国内外开关电源的发展展望

2.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、磁元件体积和封装技术的限制，密度始终未能超过每立方英寸80W。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120W。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0.1in3，取代了第一代产品中的约100个控制元件，体积缩小了60%。

第二代产品的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1000W，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 Sys tems,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，在做电机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电机做在一起，形成一个系统集成。还有一个例，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2～3V/10A，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1V、电流30～50A，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：

　　（1）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。

　　（2）体积要减小，变压器电感、电容都要减小体积。

　　（3）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、资讯与通信、生命科学、材料和交通。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。