在過去的40年里，由于半導(dǎo)體開關(guān)電源（以下簡稱-SMPS）的技術(shù)快速發(fā)展，由50 Hz變壓器發(fā)展到了如今的高頻型產(chǎn)品。開關(guān)量由較慢的開關(guān)晶閘管發(fā)展為雙極晶體管，前期阻壓低，后期阻壓高。這樣就可以使開關(guān)頻率達(dá)到60 kHz。80年代，場效應(yīng)晶體管是一種技術(shù)先進(jìn)、價格合理、市場性價比高的產(chǎn)品。這樣就可以進(jìn)一步提高開關(guān)頻率，這一次達(dá)到數(shù)百 kHz。
當(dāng)然，提高SMPS中的開關(guān)頻率并不能解決問題。由于磁力的物理特性，這將使變電站裝置越來越小，SMPS的設(shè)計也會相應(yīng)地越來越小。一方面，是因為變電設(shè)備需要與危險的電源電壓絕緣；另一方面，變電站設(shè)備需要調(diào)整輸出電壓電平，以滿足消費者的需求。
但是，除非采用額外的冷卻方法，否則開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗越大，這與較小體積設(shè)計的目標(biāo)背道而馳。為此，我們現(xiàn)在使用更復(fù)雜的開關(guān)拓?fù)?，這樣開關(guān)元件可以在無電壓或無電流的狀態(tài)下導(dǎo)通和關(guān)斷。即使基于開關(guān)技術(shù)無法實現(xiàn)這一功能，目前的二極管和晶體管仍然使用砷化鎵或碳化硅開關(guān)元件，開關(guān)速度極快。雖然與MOSFET技術(shù)相比，這些元件仍然非常昂貴，但它們的價格已經(jīng)呈現(xiàn)出緩慢下降的趨勢，因此它們將越來越適合工業(yè)應(yīng)用。下面將詳細(xì)描述進(jìn)一步提高開關(guān)頻率帶來的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
開關(guān)頻率對變電站設(shè)備尺寸的影響
在20世紀(jì)70年代，仍然使用帶有50Hz變壓器的SMPS，它們的形狀更大更重。一個250瓦的電源比鞋盒還大，重約10公斤。變電站設(shè)備一直是每個供電單元的重要組成部分，因此它極大地影響著SMPS的大小。變電站裝置中可傳遞的能量主要取決于冷卻、變壓器鐵心的體積、繞組和磁場的變化率，這些因素也決定了傳輸頻率。因此，如果你想增加變壓器的可傳輸功率或減小變壓器的尺寸，同時保持相同的功率水平，你需要增加傳輸頻率。在不考慮絕緣要求的情況下，變電站設(shè)備的可傳輸功率的一階近似與傳輸頻率的平方根成反比。因此，在現(xiàn)代SMPS中，50Hz電源電壓首先被整流，然后通過電子開關(guān)從DC電壓產(chǎn)生交流電壓。例如，如果交流電壓的頻率為50Hz，變電站設(shè)備所需的尺寸約為50Hz時的三十分之一，這自然會影響SMPS的體積和重量。在500千赫的頻率下，變電站設(shè)備的尺寸可以進(jìn)一步減小到原始尺寸的三分之一。這意味著，如果頻率有任何額外的增加，變電站設(shè)備的尺寸只能適度減小。
開關(guān)頻率對緩沖器和濾波器尺寸的影響
在SMPS中，電容器用于在電流中斷時緩沖電壓，平滑電流和電壓的殘余紋波，或濾除高頻干擾。這些電容器的尺寸也可以隨著頻率線性減小，導(dǎo)致SMPS的體積減小。然而，這不包括SMPS輸入端的緩沖電容(無論是否進(jìn)行功率因數(shù)校正)，因為這些電容必須在DC(即100赫茲)下工作。這也是除非省略緩沖時間，否則不能任意減小SMPS尺寸的原因。
工作溫度和冷卻對SMPS尺寸的影響
經(jīng)常被忽視的是，如果功率輸出不受電流或功率的限制，SMPS的最大可傳輸功率主要取決于SMPS中的最大允許工作溫度和冷卻元件。廠家的說法往往有些夸張，但如果不能提供預(yù)期的降溫效果，可能會導(dǎo)致用戶方出現(xiàn)問題。因此，在選擇SMPS時，最好參考廠家提供的能效等級或功率損耗。如果一家廠商允許元器件的工作溫度明顯高于另一家比較保守的廠商，那么SMPS的額定功率可能會高很多；然而，這將大大降低其永久運行期間的可靠性?？偟膩碚f，就開關(guān)技術(shù)而言，今天的SMPS可以說已經(jīng)最小化，任何進(jìn)一步的體積縮小都只能通過散熱片或額外的空氣冷卻來實現(xiàn)。然而，額外的冷卻會增加成本，尤其是空氣冷卻會產(chǎn)生噪音，并可能帶來污染。因此，這種方法需要討論。
能效等級對SMPS尺寸的影響
如上所述，通過增加開關(guān)頻率來進(jìn)一步減小SMPS尺寸的方法很少。目前，通過提高能效和降低自熱水平來增加傳輸功率是一種更有前途的方法。上世紀(jì)80年代，也就是SMPS市場初期，工業(yè)SMPS的能效水平在70%左右，到了90年代，這個水平明顯提升到80%以上。近十年來，SMPS的能效已經(jīng)達(dá)到90%，成為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
一種進(jìn)一步提高SMPS能效等級的方法
目前，SMPS中使用的變電站設(shè)備主要通過諧振開關(guān)場效應(yīng)管提供輸入電壓。這些部件很便宜。因為它們在零電壓或零電流點時導(dǎo)通或關(guān)斷，所以它們的損失率也很低，所以非常適合800瓦左右的電源。如今，SMPS輸入端常用100瓦以上的升壓變換器，其功率因數(shù)(95%以上)明顯高于單純的整流器。附加電感必須集成在該電路組件中。為了使其體積盡可能小，不可能在沒有電流或電壓的狀態(tài)下簡單地接通或斷開相關(guān)的高頻斷路器。對于這種情況，非常適合使用創(chuàng)新的極速開關(guān)半導(dǎo)體開關(guān)斷路器。特別是，這種開關(guān)元件使用基于砷化鎵(GaAs)或碳化硅(碳化硅)材料的半導(dǎo)體。這些開關(guān)元件的傳輸頻率大約是傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體的十倍。這與打開和關(guān)閉時傳輸過程(切換過程)的顯著加速有關(guān)。與硅MOSFETS相比，這些開關(guān)元件仍然非常昂貴，但其價格正在下降，這對SMPS的價格和性能的進(jìn)一步發(fā)展產(chǎn)生了重大影響。
電流SMPS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
為了保證SMPS的輸入端能夠獲得滿足允許極限的高功率因數(shù)，性能超過100瓦的現(xiàn)代SMPS通常采用兩級設(shè)計。轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生預(yù)調(diào)節(jié)DC，通過調(diào)節(jié)可以使轉(zhuǎn)換器的輸入電流接近正弦。第二個轉(zhuǎn)換器通常被設(shè)計為諧振轉(zhuǎn)換器，它將電壓轉(zhuǎn)換為較低的電平，并將輸入電壓與輸出電壓分開。隨著SMPS的進(jìn)一步發(fā)展，SMPS的面積將繼續(xù)縮小到更合適的大小，功率密度也將繼續(xù)增加，盡管過去10到20年的發(fā)展速度無法復(fù)制。
與過去相比，限制因素更多在于以余熱形式釋放的功率損耗。隨著尺寸的不斷縮小，發(fā)布的難度會越來越大。
