引言
電力電子技術(shù)已發(fā)展成為一門完整的、自成體系的高科技技術(shù)，電源技術(shù)屬于電力電子技術(shù)的范疇。電源技術(shù)主要是為信息產(chǎn)業(yè)服務(wù)的，信息技術(shù)的發(fā)展又對電源技術(shù)提出了更高的要求，從而促進了電源技術(shù)的發(fā)展，兩者相輔相成才有了現(xiàn)今蓬勃發(fā)展的信息產(chǎn)業(yè)和電源產(chǎn)業(yè)。從日常生活到最尖端的科學都離不開電源技術(shù)的參與和支持，而電源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)對提高一個國家勞動生產(chǎn)率的水平，即提高一個國家單位能耗的產(chǎn)出水平，具有舉足輕重的作用。在這方面我國與世界先進國家的差距很大，作為一個電源工作者，不僅應(yīng)該完成當前的本職工作，還必須通過各種信息渠道及時掌握電源技術(shù)最新發(fā)展方向與相關(guān)的元器件、原材料的最新發(fā)展動態(tài)，國內(nèi)外先進的薄膜工藝、厚膜工藝、集成化工藝等。只有這樣才能設(shè)計出世界一流的電源產(chǎn)品。為此，就當前電源產(chǎn)業(yè)及技術(shù)的發(fā)展趨勢談一些個人的看法，供同行參考、討論。
1、急速向多元化技術(shù)發(fā)展
電源設(shè)備用以實現(xiàn)電能變換和功率傳遞，是一種技術(shù)含量高、知識面寬、更新?lián)Q代快的產(chǎn)品。現(xiàn)今已廣泛應(yīng)用到工業(yè)、能源、交通、運輸、信息、航空、航天、航運、國防、教育、文化等領(lǐng)域。在信息時代，上述各行各業(yè)都在迅猛地發(fā)展，發(fā)展的同時又對電源產(chǎn)業(yè)提出了更多更高的要求。如節(jié)能、節(jié)電、節(jié)材、縮體、減重、防止污染，改善環(huán)境、可靠、安全等。這就迫使電源工作者在電源研發(fā)過程中不斷探索，并利用各種相關(guān)技術(shù)，做出合格電源產(chǎn)品，以滿足各行各業(yè)的需求。顯然，電源技術(shù)的發(fā)展將帶動相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，而相關(guān)技術(shù)的發(fā)展反過來又推動了電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。當前在電源產(chǎn)業(yè)，占主導地位的產(chǎn)品有各種線性穩(wěn)壓電源、通訊用的 AC/DC開關(guān)電源、DC/DC開關(guān)電源、交流變頻調(diào)速電源、電解電鍍電源、高頻逆變式整流焊接電源、中頻感應(yīng)加熱電源、電力操作電源、正弦波逆變電源、大功率高頻高壓直流穩(wěn)壓電源、綠色照明電源、化學電源、UPS、可靠高效低污染的光伏逆變電源、風光互補型電源等。而與電源相關(guān)的技術(shù)有高頻變換技術(shù)、功率轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)字化控制技術(shù)、全諧振高頻軟開關(guān)變換技術(shù)、同步整流技術(shù)、高度智能化技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、功率因數(shù)校正技術(shù)、保護技術(shù)、并聯(lián)均流控制技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、智能監(jiān)測技術(shù)、智能化充電技術(shù)、微機控制技術(shù)、集成化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、各種形式的驅(qū)動技術(shù)和先進的工藝技術(shù)。
2、性能/價格比是贏得市場占有率的永恒主題
產(chǎn)品價格、性能指標、品牌效應(yīng)及使用壽命一直是用戶最關(guān)心的問題。縱觀國內(nèi)外幾家知名電源廠商及世界頂級電源供應(yīng)商都面對同樣的壓力，即價格之爭、性能拼比、產(chǎn)品的精益求精以至藝術(shù)化競爭，特別是在信息時代，由于信息網(wǎng)絡(luò)給用戶帶來網(wǎng)上定貨采購的可能，這使產(chǎn)品價格變得日趨公開，迫使每個電源供應(yīng)商苦思冥想尋求降低成本的一系列措施，盡量提高性價比，以贏得市場占有率。
用戶最關(guān)注的性能指標
（1） 電氣性能指標
除特種電源外，一般線性和開關(guān)電源均有數(shù)十項指標，但最常提及的指標有輸出電壓精度、電網(wǎng)調(diào)整率、負載調(diào)整率、溫度系數(shù)、輸出紋波及噪聲、輸入反射紋波電流、輸入共模噪聲電流、保護性能及效率等。上述指標必須用合格的測試設(shè)備與標準的測試方法，經(jīng)測試合格后交給用戶。需要指出的是，各項性能指標以滿足用戶要求為宜，不必過分追求高指標而無形地增大電源的體積、重量和成本。
（2） 可靠性、安全性與質(zhì)量
質(zhì)量是企業(yè)的生命線，縱觀改革開放以來，我國企業(yè)的發(fā)展史，無不說明質(zhì)量在企業(yè)的興衰中起著舉足輕重的作用，尤其在我國加入WTO后，電源設(shè)備必將進入國際市場，大家必須遵從國際貿(mào)易協(xié)定的共同準則，必須加快融入全球一體化的步伐。企業(yè)必須接受安全、質(zhì)量體系等種種標準化規(guī)范的認證。當今的電源企業(yè)決不能把質(zhì)量狹義地理解為企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量，而應(yīng)廣義地理解為企業(yè)的全面質(zhì)量。因此，企業(yè)應(yīng)按ISO9000標準進行質(zhì)量認證，明確自己企業(yè)的質(zhì)量目標和質(zhì)量方針，對全員進行質(zhì)量教育，把產(chǎn)品質(zhì)量貫穿于設(shè)計、生產(chǎn)和用戶服務(wù)的全過程，生產(chǎn)出技術(shù)先進、質(zhì)量保證的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，供應(yīng)國內(nèi)外市場。
（3） 關(guān)注EMC設(shè)計水平
電磁兼容是研究在有限空間、時間以及頻譜資源條件下，各種電氣、電子設(shè)備可以共存，并不引起性能降低的專門學科。它是伴隨著無線電電子學中高頻、特高頻應(yīng)用的發(fā)展而發(fā)展起來的。電磁兼容其實質(zhì)含義是，一方面設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁騷擾，不應(yīng)對周圍設(shè)備造成不能承受的干擾，也不應(yīng)對周圍環(huán)境造成不能承受的污染；另一方面設(shè)備或系統(tǒng)對來自周圍環(huán)境中的電磁干擾應(yīng)具有足夠的抗御能力。要做到這些，相當困難，設(shè)計者必須通過學習和大量的實踐，深刻認識電磁兼容的真正含義和產(chǎn)生干擾的途徑，采取有效措施進行EMC設(shè)計。如：加電網(wǎng)濾波器，采取無源補償方案，以有效地抑制傳導干擾；加各種屏蔽措施，以抑制輻射干擾；加 RC吸收網(wǎng)絡(luò)于電路的適當部位以吸收開關(guān)尖峰；利用各種軟開關(guān)技術(shù)，保證開關(guān)器件在零電壓下導通，零電流下關(guān)斷，以減小過高的電流、電壓梯度所帶來的嚴重電磁干擾；合理設(shè)計印制板，合理的地線布局等都會減小電磁干擾。總之，電磁兼容技術(shù)發(fā)展很快，用戶對電磁兼容的要求也會愈來愈高，值得電源供應(yīng)商倍加注意。
（4） 齊全的保護功能
目前，電源中所使用的功率器件價格較貴，其控制電路也比較復雜，另外，電源的負載中一般都含有大量的集成化程度很高的器件，這些器件一般耐受電、熱、沖擊能力都較差，因此，電源的保護應(yīng)兼顧本身和負載的安全。目前保護的種類很多，如：極性保護、程序保護、過流保護、過壓保護、欠壓保護、過熱保護等。由于電源的種類很多，用途各異，所以，對保護的要求也各有側(cè)重，具體保護的設(shè)置應(yīng)按具體要求而定。電源中加了保護電路后，勢必增加元器件，反過來又會影響系統(tǒng)的可靠性，為此要求保護電路本身的可靠性一定要高，以提高整個系統(tǒng)的可靠性，進而提高電源本身的MTBF，這就要求保護的邏輯嚴密，電路簡單，元器件最少，除此而外還要考慮所保護電路本身出現(xiàn)故障的維修度，確保電源的正常工作和高可靠性。2.2降低成本的主要途徑
降低成本的主要途徑如下：
- 采用先進的產(chǎn)品設(shè)計管理模式，盡力縮短產(chǎn)品研發(fā)周期；
- 加強全員質(zhì)量意識，把產(chǎn)品質(zhì)量貫穿于設(shè)計和生產(chǎn)的全過程，力爭產(chǎn)品一次合格率100％，確保合同履行率100％與顧客滿意度100％；
- 電源產(chǎn)品的性能以滿足用戶為宜，不須過分地追求高指標并合理地選擇元器件、原材料，盡可能地降低成本；
- 重視人才資源管理，走以人為本的路子，不但要培養(yǎng)、尊重和愛護人才，還要合理地安排和使用，有效地發(fā)揮其作用，絕不浪費人才資源；
- 以最大的信息量和信譽度加大市場占有率和資金回收率。
3、高頻、高效、低壓大電流化、標準化是開關(guān)電源的發(fā)展趨勢
3.1 在封裝結(jié)構(gòu)上正朝著薄型和超薄型方向發(fā)展
以前標準模快的高度是12.7mm（0.5英寸），最近已下降到9.53mm（0.375英寸），一般客戶要求薄型封裝尺寸為7.5mm（0.295英寸），8.5mm（0.335英寸），10mm（0.394英寸）。外形尺寸趨于國際標準化尺寸，多為1/8、1/4、1/2、3/4和全磚式結(jié)構(gòu)，輸出端子相互兼容的設(shè)計日趨明顯。模塊內(nèi)部控制電路傾向于采用數(shù)字控制方式，非隔離式DC/DC變換器比隔離式增長速度快，分布式電源比集中式電源發(fā)展快。
3.2 低電壓大電流化
隨著半導體工藝等級未來十年將從0.18μm向50nm邁進，芯片所需最低電壓最終將變?yōu)?.6V，但輸出電流將朝著大電流方向發(fā)展。據(jù)市場調(diào)查，隨著半導體工藝的發(fā)展，電源對各種電壓的需求百分率走勢如表1所列。
表1 電源對各種電壓的需求
由表1可以看出未來用戶所需電源電壓有下降趨勢，估計不久將來1V及1V以下的電源需求量將會有明顯增加。
3.3 高效化
應(yīng)用各種軟開關(guān)技術(shù)，包括無源無損軟開關(guān)技術(shù)、有源軟開關(guān)技術(shù)（如ZVS/ZCS諧振、準諧振）、恒頻零開關(guān)技術(shù)、零電壓、零電流轉(zhuǎn)換技術(shù)及目前同步整流用MOSFET代替整流二極管都能大大地提高模塊在低輸出電壓時的效率，而效率的提高使得敞開式無散熱器的電源模塊有了實現(xiàn)的可能。這類模塊是當今世界模塊發(fā)展的潮流，必將得到廣泛應(yīng)用。隨著器件性能的改變，電源效率即將達到92％（5V）、90％（3.3V）、87.5％（2V）。
3.4 大電流和高密度化
1991年高功率密度定義為每立方英寸輸出功率25W，以后逐年增加，1994年為每立方英寸36W，1999年為每立方英寸52W，到2001年為每立方英寸96W，現(xiàn)在每立方英寸達數(shù)百W。在全球范圍內(nèi)高功率密度直流轉(zhuǎn)換模塊市場以每年16.8％的增長速度向前發(fā)展。輸出電流將增長到半磚80A、 1/4磚50A。目前，日本TDK公司推出新一代分布式隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器，其參數(shù)為1/4磚輸入電壓42V～58V、輸出電壓12V、輸出電流 27A、效率為95％，功率密度已達每立方英寸236W；1/8磚輸入電壓42V～58V、輸出電壓12V、輸出電流13.5A、效率為95％，功率密度已達每立方英寸214W。
3.5 高頻化
為了縮小開關(guān)電源的體積，提高電源的功率密度并改善動態(tài)響應(yīng)，小功率DC/DC變換器的開關(guān)頻率已由現(xiàn)在的200kHz～500kHz提高到1MHz以上，但高頻化又會產(chǎn)生新的問題，如開關(guān)損耗以及無源元件的損耗增大，高頻寄生參數(shù)的影響以及高頻電磁干擾增大等。
4、一流電源產(chǎn)品離不開先進的元器件及先進的工藝
4.1 功率器件的發(fā)展是電源技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)
功率MOSFET是目前最快速度的功率器件。目前較先進的水平電壓可達1200V，電流可達60A，頻率可達2MHz，導通電阻可達0.1Ω左右。提高器件耐壓，同時減小其導通電阻仍是今后MOSFET的主要研究方向。
絕緣柵雙極型晶體管IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復合而成的電力電子器件，它的控制極為絕緣柵控場效應(yīng)晶體管，輸出極為PNP雙極功率晶體管，因而具有兩者的優(yōu)點，而克服了兩者的缺點。目前耐壓可達6.5kV，電流可達1.2kA，今后的主攻方向仍是擴大容量，減小內(nèi)阻，以減小導通損耗。由于 IGBT經(jīng)常工作在高頻、高壓、大電流狀態(tài)下，又由于電源作為系統(tǒng)的前級，易受電網(wǎng)波動、雷擊影響，容易損壞，故IGBT的可靠性直接影響電源可靠性，所以，在選擇IGBT時，除作降額考慮外，對IGBT的保護設(shè)計也極為重要。
IGCT是GTO的更新?lián)Q代產(chǎn)品，它應(yīng)用了分布集成門極驅(qū)動，淺層發(fā)射極等技術(shù)。器件的開關(guān)速度有一定提高，同時減少了門極驅(qū)動的功率，應(yīng)用方便，IGCT的出路仍然是高電壓、大容量。
4.2 變壓器與磁性元件
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和成熟，人們逐漸認識到磁性元件不僅是電源中的功能元件，同時其體積、重量、損耗在整機中也占相當比例。據(jù)統(tǒng)計，磁性元件的重量一般是變換器總重量的30％～40％，體積占總體積的20％～30％，對于模塊化設(shè)計的高頻電源，磁性元件的體積、重量所占的比例還會更高。另外，磁性元件還是影響電源輸出動態(tài)性能和輸出紋波的一個重要因素。因此，要提高電源的功率密度、效率和輸出品質(zhì)，就應(yīng)對減小磁性元件的體積、重量及損耗的相關(guān)技術(shù)進行深入研究，以滿足電源發(fā)展的需要。
對于低、中頻電源的變壓器，建議采用R型變壓器，其特點是損耗低，體積小，無噪聲，抗干擾能力強。目前發(fā)展狀況是單相功率范圍已擴展到1VA～100kVA，三相功率范圍已擴展到315kVA。未來主攻的方向是設(shè)法克服應(yīng)用中沖擊電流比較大的缺點。
對于高頻變壓器，主要用于各種形式的開關(guān)電源，頻率為20kHz～500kHz，功率可做到數(shù)十kW，所用材料主要是非晶、微晶、超微晶、軟磁鐵氧體材料。當變壓器工作頻率大于700kHz時，變壓器中的渦流損耗將急劇增加，約占總損耗的80％，為減小其損耗，必須在功率鐵氧體材料中加納米添加劑，從而出現(xiàn)了用納米晶軟磁合金和納米晶磁材制成的各種變壓器。當前比較好的有日本TDK公司、FDK公司所提供的高頻磁芯和德國VAC公司所推出的超微晶磁材，這種磁材具有非常高的初始導磁率，一般高達幾萬，而材料所使用的頻率為300kHz～1MHz，中心頻率為500kHz。
目前，磁性材料最高工作頻率可達1.5MHz，這就是我國浙江天通公司所研制的MnZn鐵氧體TP5A材料。以上這些材料所制成的變壓器有貼片式變壓器、印制焊接式變壓器、變壓器模塊、各種形式的分體式變壓器、插入式變壓器、PCB平面變壓器及多層線路板平面變壓器。而平面多層變壓器，目前佩頓公司已能提供功率為5～25kW，頻率為50kHz到2MHz的一系列PM產(chǎn)品，預計最近幾年電源變壓器需求旺盛，已成為迅速發(fā)展的熱門產(chǎn)品，而電子變壓器未來發(fā)展的目標是輕量、高效、高密度化，電源變壓器發(fā)展的目標是表面安裝、高功率和高壓化。
4.3 磁集成技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用
所謂磁集成技術(shù)，就是將變換器中的兩個或多個分立磁體繞制在一副磁芯中，從結(jié)構(gòu)上集中在一起。集中后的磁件擬稱為集成磁件，通過一定的耦合方式，合理的參數(shù)設(shè)計，能有效地減小磁體的體積和損耗。在一定應(yīng)用場合，還可以減小電源輸出紋波，提高電源輸出的動態(tài)性能。另外，磁集成技術(shù)明顯能減小連接端，可有效地減少大電流場合端子的損耗。
