自上世紀80年代開始，高頻化和軟開關技術的開發(fā)研究，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一。 在未來五年中開關電源的發(fā)展方向將向著怎么樣的軌道行駛時開拓行業(yè)發(fā)展的關鍵。
IGBT剛出現(xiàn)時，電壓、電流額定值只有600V、25A。很長一段時間內，耐壓水平限于1200V～1700V，經過長時間的探索研究和改進，現(xiàn)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，一般IGBT的工作頻率上限為20kHz～40kHz，基于穿通(PT)型結構應用新技術制造的IGBT，可工作于150kHz(硬開關)和300kHz(軟開關)。GBT的技術進展實際上是通態(tài)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年歷史發(fā)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。碳化硅SiC是功率半導體器件晶片的理想材料，其優(yōu)點是：禁帶寬、工作溫度高(可達600℃)、熱穩(wěn)定性好、通態(tài)電阻小、導熱性能好、漏電流極小、PN結耐壓高等，有利于制造出耐高溫的高頻大功率半導體器件。
提高開關電源的功率密度，使之小型化、輕量化，是人們不斷努力追求的目標。電源的高頻化是國際電力電子界研究的熱點之一。電源的小型化、減輕重量對便攜式電子設備(如移動電話，數(shù)字相機等)尤為重要。使開關電源小型化的具體辦法有：一是應用壓電變壓器。應用壓電變壓器可使高頻功率變換器實現(xiàn)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，其等效電路如同一個串并聯(lián)諧振電路，是功率變換領域的研究熱點之一。二是高頻化。為了實現(xiàn)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。
電源系統(tǒng)中應用大量磁元件，高頻磁元件的材料、結構和性能都不同于工頻磁元件，有許多問題需要研究。對高頻磁元件所用磁性材料有如下要求：損耗小，散熱性能好，磁性能優(yōu)越。適用于兆赫級頻率的磁性材料為人們所關注，納米結晶軟磁材料也已開發(fā)應用。對于低電壓、大電流輸出的軟開關變換器，進一步提高其效率的措施是設法降低開關的通態(tài)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。
分布電源系統(tǒng)適合于用作超高速集成電路組成的大型工作站(如圖像處理站)、大型數(shù)字電子交換系統(tǒng)等的電源，其優(yōu)點是：可實現(xiàn)DC/DC變換器組件模塊化；容易實現(xiàn)N+1功率冗余，易于擴增負載容量；可降低48V母線上的電流和電壓降；容易做到熱分布均勻、便于散熱設計；瞬態(tài)響應好；可在線更換失效模塊等?，F(xiàn)在分布電源系統(tǒng)有兩種結構類型，一是兩級結構，另一種是三級結構。
由于AC/DC變換電路的輸入端有整流元件和濾波電容，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(shù)僅為0.6～0.65。采用PFC(功率因數(shù)校正)變換器，網側功率因數(shù)可提高到0.95～0.99，輸入電流THD小于10%。既治理了電網的諧波污染，又提高了電源的整體效率。這一技術稱為有源功率因數(shù)校正APFC單相APFC國內外開發(fā)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(xù)研究發(fā)展。
電源技術的發(fā)展
電源的控制已經由模擬控制，模數(shù)混合控制，進入到全數(shù)字控制階段。全數(shù)字控制是一個新的發(fā)展趨勢，已經在許多功率變換設備中得到應用。但是過去數(shù)字控制在DC/DC變換器中用得較少。近兩年來，電源的高性能全數(shù)字控制芯片已經開發(fā)，費用也已降到比較合理的水平，歐美已有多家公司開發(fā)并制造出開關變換器的數(shù)字控制芯片及軟件。全數(shù)字控制的優(yōu)點是：數(shù)字信號與混合模數(shù)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**的數(shù)字校正，電壓檢測也更**；可以實現(xiàn)快速，靈活的控制設計。
建模、仿真和CAD是一種新的設計工具。為仿真電源系統(tǒng)，首先要建立仿真模型，包括電力電子器件、變換器電路、數(shù)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*性模型和EMC模型。各種模型差別很大，建模的發(fā)展方向是：數(shù)字-模擬混合建模、混合層次建模以及將各種模型組成一個統(tǒng)一的多層次模型等。
電源系統(tǒng)的CAD，包括主電路和控制電路設計、器件選擇、參數(shù)*優(yōu)化、磁設計、熱設計、EMI設計和印制電路板設計、可*性預估、計算機輔助綜合和優(yōu)化設計等。用基于仿真的專家系統(tǒng)進行電源系統(tǒng)的CAD，可使所設計的系統(tǒng)性能*優(yōu)，減少設計制造費用，并能做可制造性分析，是21世紀仿真和CAD技術的發(fā)展方向之一。此外，電源系統(tǒng)的熱測試、EMI測試、可*性測試等技術的開發(fā)、研究與應用也是應大力發(fā)展的。
