现在再讲两点可以预见到的—一通信电源主要发展展望。
第一、功单半导体器件是开关电图发展的重要支撑
功率半导体器件仍然是开关电源发展的“龙头”。
功率场效应管(MOSFET)由于单极性多子导电,显著地减小了开关时间,因而很容易达 到100kHz的开关频率而受到世人瞩目。这种器件现在的重点在于如何降低通态电阻。美国IR 公司用提高单位面积内原胞个数的方法。如该公司开发的一种HEXFET场效应管,其沟槽 (Trench)原胞密度,已达世界最高的每平方英寸1.12亿个的水平。通态电阻RDS可达3毫欧, 自1996年以来,其以每年50%的速度下降。IR公司还开发了一种低栅极电荷(Qg,即输入电 容很小)的HEXFET,使开关速度更快。
同时应当看到,作半导体器件材料的硅,已经“统治”了半导体器件超过了50年,挖掘 硅性能的潜力已很难。有关半导体器件材料的研究,从70年代以来始终在进行着。进入90年 代以后,对碳化硅(SIC)的研究达到了热点。实验表明,应用SIC的半导体器件,其导通电 阻只有Si器件的1/200;如电压较高的硅功率MOSFET,导通压降达3-4V,而SIC功率 MOSFET, 导通压降小于1V,而关断时间小于10ns。目前的问题是要进一步改善SIC表面与金属的接触 特性和更完善SIC的制造工艺。有把握地说,再经过5年不会超过10年,这些问题都会得到很 好的解决。到用SIC制造的半导体器件得到广泛应用时,对开关电源的影响将会是革命性的。
第二、电路集成和系统集成
半导体器件或电路的发展方向是模块化、集成化。如控制电路现在多已制成专用集成电 路。具有各种控制功能的专用芯片近几年发展很快,如功率团数校正(PFC)电路用的控制芯 片,并联均流控制芯片,较开关控制用的ZVS、ZCS芯片,ZVT、ZCTPWM专用控制芯片,电流反 馈控制芯片等等。功率器件则有功率集成电路(Power IC)和IPM。IPM是IGBT作功率开关, 集控制、驱动、保护、检测电路封装在一个模块内。由于外部接线、焊点减少,可靠性明显 增加。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是做系统集成。美国VICOR公司生产的第一代电源模块受生产技术、 功率和磁元件体积、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0.1立方英寸,取代了第一代产品中的 约100个控制元件,体积缩小了60%。第二代产品中另一个突破是变压器的改良,平板式变压 器使处理功率的密度达到了每立方英寸1000W。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。第二代产品集 成度显然提高了,但还不是系统集成。仍以英特尔微处理器的供电电源为例,现在的做法是 开关电源紧靠微处理器,这样尚能满足现在微处理器的要求。但将来微处理器工作电压降为 1V或0.8V,电流增加,速度更快的时候,现有的解决办法将无法达到它的要求。三年前,美 国弗基尼亚电力电子研究中心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。今天英特尔公司开始接受这一想法并在积极促成此事。提出的构想是:开关 电源紧密结合(集成)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,自然也是通信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;配合高速数字电路工作是必须的;也是减 小体积的重要途径;
2.体积要小,变压器电感、电容都要减小体积;
3.效率要高,散热少,容易达到高功率密度。