开关稳压电源

开关稳压电源（以下简称开关电源）问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。早期出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工作于开关状态。随着脉宽调制（PWM）技术的发展，PWM开关电源问世，它的特点是用20kHz的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达65%"70%，而线性电源的效率只有30％"40％。因此，用工作频率为20 kHz的PWM开关电源替代线性电源，可大幅度节约能源，从而引起了人们的广泛关注，在电源技术发展史上被誉为20kHz革命。随着超大规模集成（ultra-large-scale-integrated-ULSI）芯片尺寸的不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备（如手提计算机、移动电话等）更需要小型化、轻量化的电源。因此，对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量也要小。此外，还要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。这一切高新要求便促进了开关电源的不断发展和进步。  

1 开关电源的三个重要发展阶段

40多年来，开关电源经历了三个重要发展阶段。

第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件（BPT、SCR、GT0）发展为MOS型器件（功率MOS-FET、IGBT、IGCT等），使电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低导通损耗，电路也更为简单。

第二个阶段自20世纪80年代开始，高频化和软开关技术的研究开发，使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。

第三个阶段从20世纪90年代中期开始，集成电力电子系统和集成电力电子模块（IPEM）技术开始发展，它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。

2 开关电源技术的亮点

2.1 功率半导体器件性能

1998年，Infineon公司推出冷MOS管，它采用“超级结”（Super-Junction）结构，故又称超结功率MOSFET。工作电压600"800V，通态电阻几乎降低了一个数量级，仍保持开关速度快的特点，是一种有发展前途的高频功率半导体器件。

IGBT刚出现时，电压、电流额定值只有600V、25A。很长一段时间内，耐压水平限于1200"1700V，经过长时间的探索研究和改进，现在 IGBT的电压、电流额定值已分别达到3300V／1200A和4500V／1800A，高压IGBT单片耐压已达到6500V，一般IGBT的工作频率上限为20"40kHz，基于穿通（PT）型结构应用新技术制造的IGBT，可工作于150kHz（硬开关）和300kHz（软开关）。

IGBT的技术进展实际上是通态压降，快速开关和高耐压能力三者的折中。随着工艺和结构形式的不同，IGBT在20年的发展进程中，有以下几种类型：穿通（PT）型、非穿通（NPT）型、软穿通（SPT）型、沟漕型和电场截止（FS）型。

碳化硅（SiC）是功率半导体器件晶片的理想材料，其优点是禁带宽、工作温度高（可达600℃）、热稳定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、PN结耐压高等，有利于制造出耐高温的高频大功率半导体器件。

可以预见，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。

2.2 开关电源功率密度

提高开关电源的功率密度，使之小型化、轻量化，是人们不断追求的目标。这对便携式电子设备（如移动电话，数字相机等）尤为重要。使开关电源小型化的具体办法有以下几种。

一是高频化。为了实现电源高功率密度，必须提高PWM变换器的工作频率、从而减小电路中储能元件的体积重量。

二是应用压电变压器。应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和高功率密度。压电变压器利用压电陶瓷材料特有的“电压-振动”变换和“振动-电压”变换的性质传送能量，其等效电路如同一个串并联谐振电路，是功率变换领域的研究热点之一。

三是采用新型电容器。为了减小电力电子设备的体积和重量，须设法改进电容器的性能，提高能量密度，并研究开发适合于电力电子及电源系统用的新型电容器，要求电容量大、等效串联电阻（ESR）小、体积小等。

2.3 高频磁性元件

电源系统中应用大量磁元件，高频磁元件的材料、结构和性能都不同于工频磁元件，有许多问题需要研究。对高频磁元件所用的磁性材料，要求其损耗小、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，纳米结晶软磁材料也已开发应用。

2.4 软开关技术

高频化以后，为了提高开关电源的效率，必须开发和应用软开关技术。它是过去几十年国际电源界的一个研究热点。

PWM开关电源按硬开关模式工作（开／关过程中电压下降／上升和电流上升／下降波形有交叠），因而开关损耗大。高频化虽可以缩小体积重量，但开关损耗却更大了。为此，必须研究开关电压／电流波形不交叠的技术，即所谓零电压开关（ZVS）／零电流开关（ZCS）技术，或称软开关技术，小功率软开关电源效率可提高到800%"85%。上世纪70年代谐振开关电源奠定了软开关技术的基础。随后新的软开关技术不断涌现，如准谐振（上世纪80年代中）全桥移相ZVS -PWM，恒频ZVS-PWM／ZCS-PWM（上世纪80年代末）ZVS-PWM有源嵌位；ZVT-PWM／ZCT-PWM（上世纪90年代初）全桥移相ZV-ZCS-PWM（上世纪90年代中）等。我国已将最新软开关技术应用于6kW通信电源中，效率达93％。