半导体|未来开关电源的发展方向在哪里？半导体

在过去的40年里，由于半导体开关电源（以下简称-SMPS）的技术快速发展，由50 Hz变压器发展到了如今的高频型产品。开关量由较慢的开关晶闸管发展为双极晶体管，前期阻压低，后期阻压高。这样就可以使开关频率达到60 kHz 。 80年代，场效应晶体管是一种技术先进、价格合理、市场性价比高的产品。这样就可以进一步提高开关频率，这一次达到数百 kHz 。

当然，提高SMPS中的开关频率并不能解决问题。由于磁力的物理特性，这将使变电站装置越来越小， SMPS的设计也会相应地越来越小。一方面，是因为变电设备需要与危险的电源电压绝缘；另一方面，变电站设备需要调整输出电压电平，以满足消费者的需求。
但是，除非采用额外的冷却方法，否则开关频率越高，开关损耗越大，这与较小体积设计的目标背道而驰。为此，我们现在使用更复杂的开关拓扑，这样开关元件可以在无电压或无电流的状态下导通和关断。即使基于开关技术无法实现这一功能，目前的二极管和晶体管仍然使用砷化镓或碳化硅开关元件，开关速度极快。虽然与MOSFET技术相比，这些元件仍然非常昂贵，但它们的价格已经呈现出缓慢下降的趋势，因此它们将越来越适合工业应用。下面将详细描述进一步提高开关频率带来的发展机遇和挑战。
开关频率对变电站设备尺寸的影响
在20世纪70年代，仍然使用带有50Hz变压器的SMPS ，它们的形状更大更重。一个250瓦的电源比鞋盒还大，重约10公斤。变电站设备一直是每个供电单元的重要组成部分，因此它极大地影响着SMPS的大小。变电站装置中可传递的能量主要取决于冷却、变压器铁心的体积、绕组和磁场的变化率，这些因素也决定了传输频率。因此，如果你想增加变压器的可传输功率或减小变压器的尺寸，同时保持相同的功率水平，你需要增加传输频率。在不考虑绝缘要求的情况下，变电站设备的可传输功率的一阶近似与传输频率的平方根成反比。因此，在现代SMPS中， 50Hz电源电压首先被整流，然后通过电子开关从DC电压产生交流电压。例如，如果交流电压的频率为50Hz ，变电站设备所需的尺寸约为50Hz时的三十分之一，这自然会影响SMPS的体积和重量。在500千赫的频率下，变电站设备的尺寸可以进一步减小到原始尺寸的三分之一。这意味着，如果频率有任何额外的增加，变电站设备的尺寸只能适度减小。
开关频率对缓冲器和滤波器尺寸的影响
在SMPS中，电容器用于在电流中断时缓冲电压，平滑电流和电压的残余纹波，或滤除高频干扰。这些电容器的尺寸也可以随着频率线性减小，导致SMPS的体积减小。然而，这不包括SMPS输入端的缓冲电容(无论是否进行功率因数校正) ，因为这些电容必须在DC(即100赫兹)下工作。这也是除非省略缓冲时间，否则不能任意减小SMPS尺寸的原因。
工作温度和冷却对SMPS尺寸的影响
经常被忽视的是，如果功率输出不受电流或功率的限制， SMPS的最大可传输功率主要取决于SMPS中的最大允许工作温度和冷却元件。厂家的说法往往有些夸张，但如果不能提供预期的降温效果，可能会导致用户方出现问题。因此，在选择SMPS时，最好参考厂家提供的能效等级或功率损耗。如果一家厂商允许元器件的工作温度明显高于另一家比较保守的厂商，那么SMPS的额定功率可能会高很多；然而，这将大大降低其永久运行期间的可靠性。总的来说，就开关技术而言，今天的SMPS可以说已经最小化，任何进一步的体积缩小都只能通过散热片或额外的空气冷却来实现。然而，额外的冷却会增加成本，尤其是空气冷却会产生噪音，并可能带来污染。因此，这种方法需要讨论。
能效等级对SMPS尺寸的影响
如上所述，通过增加开关频率来进一步减小SMPS尺寸的方法很少。目前，通过提高能效和降低自热水平来增加传输功率是一种更有前途的方法。上世纪80年代，也就是SMPS市场初期，工业SMPS的能效水平在70%左右，到了90年代，这个水平明显提升到80%以上。近十年来， SMPS的能效已经达到90% ，成为技术标准。
一种进一步提高SMPS能效等级的方法
【半导体|未来开关电源的发展方向在哪里？】目前， SMPS中使用的变电站设备主要通过谐振开关场效应管提供输入电压。这些部件很便宜。因为它们在零电压或零电流点时导通或关断，所以它们的损失率也很低，所以非常适合800瓦左右的电源。如今， SMPS输入端常用100瓦以上的升压变换器，其功率因数(95%以上)明显高于单纯的整流器。附加电感必须集成在该电路组件中。为了使其体积尽可能小，不可能在没有电流或电压的状态下简单地接通或断开相关的高频断路器。对于这种情况，非常适合使用创新的极速开关半导体开关断路器。特别是，这种开关元件使用基于砷化镓(GaAs)或碳化硅(碳化硅)材料的半导体。这些开关元件的传输频率大约是传统硅半导体的十倍。这与打开和关闭时传输过程(切换过程)的显著加速有关。与硅MOSFETS相比，这些开关元件仍然非常昂贵，但其价格正在下降，这对SMPS的价格和性能的进一步发展产生了重大影响。