1.2 开关电源技术的发展动向
1.2.1 开关电源技术发展及关注点
1.开关电源技术的发展
目前，通信、信息、家电、国防等领域的电源普遍采用开关电源，相控电源将逐渐被淘汰。国内开关电源技术的发展，基本上源于20世纪70年代末和20世纪80年代初，当时引进的开关电源技术，在高等院校和一些科研院所停留在试验开发和教学阶段。20世纪80年代中期，开关电源产品开始推广和应用。在20世纪80年代，开关电源的特点是采用20kHz脉宽调制（PWM）技术，效率可达65%～70%。
开关电源和相控电源相比，在技术上是一次飞跃，不仅可以方便地得到不同大小的直流电压，而且甩掉了体大笨重的工频变压器；由于采用高频功率变换，电源体积和重量明显减小，而且技术性能大大提高。在开关电源的所有应用领域，通信电源是增长速度最快的一部分。新型磁材料和新型变压器的开发，新型电容器和EMI滤波器技术的进步，专用集成控制芯片的研制成功，使开关电源小型化，并提高了EMC性能。微处理器监控的应用，提高了电源的可靠性，也适应了市场对其智能化的要求。
历经六十多年来的不断发展，开关电源技术有了重大进步和突破。新型功率器件的开发促进了开关电源的高频化，功率 MOSFET和 IGBT可使中小型开关电源工作频率达到400kHz（AC/DC）或1MHz（DC/DC）；软开关技术使开关电源不仅可以减小电源的体积和重量，而且可以提高电源的效率，国产6kW通信开关电源，采用软开关技术，效率可达93%；控制技术的发展，专用控制芯片的生产，不仅使电源电路大幅度简化，而且使开关电源的动态性能和可靠性大大提高；有源功率因数校正技术（APFC）的开发，提高了AC/DC开关电源的功率因数，既治理了电网的谐波污染，又提高了开关电源的整体效率。
新型功率半导体器件的发展是开关电源技术进步的动力，目前正在研究高性能的碳化硅功率半导体器件，一旦开发成功，对电源技术的影响将是革命性的。另外，平面变压器、压电变压器、新型电容器等元件的发展，也将对开关电源技术的发展起到重要作用。
集成化模块是开关电源的一个重要发展方面，控制电路的集成、驱动电路的集成、保护电路的集成，最后达到整机的集成化生产。集成化、模块化减少外部连线和焊接，提高了设备的可靠性，缩小了电源的体积和减轻了重量，目前DC/DC开关电源的功率密度可达到每立方英寸120W。
回顾国内开关电源技术的发展可以看到，高效率、小型化、集成化、智能化、高可靠性是大势所趋，也是今后的发展方向。
2.开关电源技术的创新
（1）新器件、新材料
1947年年底晶体管问世，随后不到十年，可控硅整流器（SCR，现称晶闸管）在晶体管渐趋成熟的基础上问世，从而揭开了电源技术长足发展的序幕。半个世纪以来，电源技术的发展不断创新。1998年，Infineon公司推出冷MOS管，它采用“超级结”（Super-Junction）结构，故又称超结功率MOSFET。工作电压600～800V，通态电阻几乎降低了一个数量级，仍保持开关速度快的特点，是一种有发展前途的高频功率半导体器件。
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、功率场效应晶体管（MOSFET）、智能IGBT功率模块（IPM）、MOS栅控晶闸管（MCT）、静电感应晶体管（SIT）、超快恢复二极管、无感电容器、无感电阻器、新型铁氧体、非晶和微晶软磁合金、纳米晶软磁合金等元件，装备了现代电源技术，促进开关电源产品的升级换代。
核心器件
功率半导体器件的进步，特别是功率MOSFET的进步，引发出功率变换的一系列的进步。功率MOSFET极快的开关速度，使开关电源的开关频率从双极晶体管的20kHz提高到100kHz以上，有效地减小了无源储能元件（电感、电容）的体积。低压功率MOSFET使低压同步整流成为现实，器件的导通电压从肖特基二极管的0.5V左右，降低到同步整流器的0.1V甚至更低，使低压整流器的效率至少提高了10%。高压功率MOSFET的导通压降和开关特性的改善，提高了开关电源的初级效率，功率半导体器件功耗的降低也使散热器和整机的体积减小。
IGBT刚出现时，电压、电流额定值只有600V/25A。很长一段时间内，耐压水平限于1200～1700V，经过长时间的探索研究和改进，现在IGBT的电压、电流额定值已分别达到3300V/1200A和4500V/1800A，高压IGBT单片耐压已达到6500V，一般IGBT的工作频率上限为20～40kHz，基于穿通（PT）型结构应用新技术制造的IGBT，可工作于150kHz（硬开关）和300kHz（软开关）。
IGBT的技术进展实际上是通态压降、快速开关和高耐压能力三者的折中。随着工艺和结构形式的不同，IGBT在30年历史发展进程中，有穿通（PT）型、非穿通（NPT）型、软穿通（SPT）型、沟漕型和电场截止（FS）型几种类型。
碳化硅SiC是功率半导体器件晶片的理想材料，其优点是：禁带宽、工作温度高（可达600℃）、热稳定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、PN结耐压高等，有利于制造出耐高温的高频大功率半导体器件。可以预见，碳化硅将是21世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料。
（2）开关电源功率密度
电子设备特别是计算机的不断小型化，要求供电电源的体积随之小型化，因而开关电源开始替代以笨重的工频变压器为特征的线性稳压电源，同时电源效率得到明显提高。电源体积的减小意味着散热能力的变差，因而要求电源的功耗变小，即在输出功率不变的前提下，效率必须提高。
提高开关电源的功率密度，使之小型化、轻量化，是人们不断努力追求的目标。电源的高频化是国际电力电子界研究的热点之一。电源的小型化、减轻重量对便携式电子设备（如移动电话、数字相机等）尤为重要。使开关电源小型化的具体办法有：
小型化方法
① 高频化。为了实现电源高功率密度，必须提高PWM变换器的工作频率，从而减小电路中储能元件的体积和重量。
② 应用压电变压器。应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和高功率密度。压电变压器利用压电陶瓷材料特有的“电压-振动”变换和“振动-电压”变换的性质传送能量，其等效电路如同一个串并联谐振电路，是功率变换领域的研究热点之一。
③ 采用新型电容器。为了减小电力电子设备的体积和重量，必须设法改进电容器的性能，提高能量密度，并研究开发适合于电力电子及电源系统用的新型电容器，要求电容量大、等效串联电阻ESR小、体积小等。
④ 高效率功率变换。相同体积的电源的功率耗散基本相同，因此，欲得到更大的输出功率，必须提高效率。同时，高的电源效率可以有效地减小功率半导体器件的应力，有利于提高其可靠性。
（3）高频磁元件与同步整流技术
开关电源中应用大量磁元件，高频磁元件的材料、结构和性能都不同于工频磁元件，有许多问题需要研究。对高频磁元件所用磁性材料有如下要求：损耗小，散热性能好，磁性能优越。适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注，纳米结晶软磁材料也已开发应用。高频化以后，为了提高开关电源的效率，必须开发和应用软开关技术。它是过去几十年国际电源界的一个研究热点。
对于低电压、大电流输出的软开关变换器，进一步提高其效率的措施是设法降低开关的通态损耗。例如同步整流SR技术，即以功率MOS管反接作为整流用开关二极管，代替肖特基二极管（SBD），可降低管压降，从而提高电路效率。
（4）无源元件损耗和有源元件损耗
开关损耗一直困扰着开关电源设计，由于功率半导体器件在开关过程中，器件上同时存在电流、电压，因而不可避免地存在开关损耗，如果开关电源中开关管和输出整流二极管能实现零电压开关或零电流开关，则其效率可以明显提高。
开关过程引起的开关损耗大致会占总输入功率的5%～10%，大幅度降低或消除这一损耗可使开关电源的效率提高5%～10%。最有效的方法是软开关技术、零电压开关或零电流开关技术。
在众多软开关的方案中，比较实用的有大功率的全桥变换器，通常采用移相零电压开关控制方式，这种控制方式要求在初级侧需附加一续流电感以确保开关管在零电压状态下导通，由于较大的有效值电流流过，这个附加电感将发热（尽管比RC缓冲电路小得多），因而在低压功率变换中并不采用。
无源无损耗缓冲电路的特点是不破坏常规PWM控制方式，设计、调试简单。尽管如此，无源无损耗缓冲电路和准谐振/零电压开关工作方式也存在一些缺点，如仅能实现关断软开关，以及在反激式变换器中不太适于大负载范围变化。软开关中有源钳位是提高单管正、反激变换器效率的有效方法，最初的专利限制现在已失效，可以普遍应用。
（5）分布电源结构
分布电源系统适合于用做超高速集成电路组成的大型工作站（如图像处理站）、大型数字电子交换系统等的电源。其优点是：可实现DC/DC变换器组件模块化；容易实现N+1功率冗余，提高系统可靠性；易于扩增负载容量；可降低48V母线上的电流和电压降；容易做到热分布均匀，便于散热设计；瞬态响应好；可在线更换失效模块等。现在分布电源系统有两种结构类型，一是两级结构，另一种是三级结构。
（6）高效率功率变换
高效率功率变换拓扑在 20多年前就有介绍（如两级变换拓扑结构，早在 UNI-TRODE82/83年数据手册的ApplicationNote的AN19中就有介绍，TEK2235示波器中也采用了这种功率变换拓扑结构），但受当时的技术水平，特别是人们认识的限制（总是认为两级变换的效率比单级低，而事实上两级变换可以实现事实上的固有的零电压开关，单级变换则需要特殊的附加电路和控制方式）而并没有得到承认和应用。
电源界有一个不成文的观点：不稳压的比稳压的效率高，不隔离的比隔离的效率高，窄范围输入电压的比宽范围输入的效率高。Vicor的48V输入电源模块的效率达到97%。交流输入开关电源需要功率因数校正，由于功率因数校正已具有稳压功能，在对输出纹波要求不高的应用（如输出接有蓄电池或超级电容器）中，可以采用功率因数校正加不调节的隔离变换器电路拓扑，国外在1986年已有产品，效率可达93%以上。
在DC48V输入电压的电源模块中，效率在93%以上的模块几乎无一例外地采用前级稳压、后级不调节隔离的方案，并且将第一级的输出电容和第二级的输出电感取消，简化了电路结构。
由于AC/DC变换电路的输入端有整流元件和滤波电容，在正弦电压输入时，单相整流电源供电的电子设备，电网侧（交流输入端）功率因数仅为0.6～0.65。采用PFC（功率因数校正）变换器，网侧功率因数可提高到0.95～0.99，输入电流THD小于10%。既治理了电网的谐波污染，又提高了电源的整体效率。单相APFC国内外开发较早，技术已较成熟；三相APFC的拓扑类型和控制策略虽然已经有很多种，但还有待继续研究发展。
一般高功率因数AC/DC开关电源由两级拓扑组成，对于小功率AC/DC开关电源来说，采用两级拓扑结构总体效率低、成本高。如果对输入端功率因数要求不特别高，可将PFC变换器和后级DC/DC变换器组合成一个拓扑，构成单级高功率因数AC/DC开关电源，只用一个主开关管，可使功率因数校正到0.8以上，并使输出直流电压可调，这种拓扑结构称为单管单级即S4PFC变换器。
（7）电压调节器模块VRM
电压调节器模块是一类低电压、大电流输出的DC/DC变换器模块，可向微处理器提供电源。现在数据处理系统的速度和效率日益提高，为降低微处理器IC的电场强度和功耗，必须降低逻辑电压，新一代微处理器的逻辑电压已降低至1V，而电流则高达50～100A，所以对VRM的要求是：输出电压很低、输出电流大、电流变化率高、快速响应等。
（8）全数字化控制
控制电路、驱动电路、保护电路采用集成组件，控制电路采用全数字化，控制手段用微处理器和单片机组成的软件控制方式，达到了较高的智能化程度，并且进一步提高了电源设备的可靠性。
电源的控制已经由模拟控制、模数混合控制，进入到全数字控制阶段。全数字控制是一个新的发展趋势，已经在许多功率变换设备中得到应用。
但是，过去数字控制在DC/DC变换器中用得较少。近两年来，电源的高性能全数字控制芯片已经开发，费用也已降到比较合理的水平，欧美已有多家公司开发并制造出开关变换器的数字控制芯片及软件。全数字控制的优点是：数字信号与混合模数信号相比可以标定更小的量，芯片价格也更低廉；对电流检测误差可以进行精确的数字校正，电压检测也更精确；可以实现快速、灵活的控制设计。
（9）系统集成技术
电源技术发展的特点是电源电路的模块化、集成化，单片电源和模块电源取代整机电源，功率集成技术简化了电源的结构，已经在通信、电力领域获得广泛的应用，并且派生出新的供电体制——分布式供电，使集中供电单一体制走向多元化。
实际上，在电源集成技术的发展进程中，已经经历了电力半导体器件模块化、功率与控制电路的集成化、集成无源元件（包括磁集成技术）等发展阶段。近年来的发展方向是将小功率电源系统集成在一个芯片上，可以使电源产品更为紧凑，体积更小，也缩短了引线长度，从而减小了寄生参数。在此基础上，可以实现一体化，所有元件连同控制保护集成在一个模块中。
（10）新理论、新技术的指导
谐振变换、移相谐振、零开关PWM、零过渡PWM等电路拓扑理论；功率因数校正、有源钳位、并联均流、同步整流、高频磁放大器、高速编程、遥感遥控、微机监控等新技术，指导了现代电源技术的发展。
（11）电磁兼容性
在开关电源的各种损耗中，电磁干扰所产生的损耗，在电源效率高到一定水平后将不容忽视。一方面电磁干扰本身消耗能量，特别是电源效率的提高往往需要软开关技术或零电压开关或零电流开关技术（无论是专门设置的还是电路本身固有的），应用这些技术减缓了开关过程的电压、电流的变化速率，消除或减小了开关过程的电磁干扰，不需要像常规开关电源电路中需要专门设置抑制电磁干扰的电路（这个电路是存在损耗的）。
特殊性
高频开关电源的电磁兼容EMC问题有其特殊性：功率半导体开关管在开关过程中产生的di/dt和du/dt，引起强大的传导电磁干扰和谐波干扰。有些情况还会引起强电磁场（通常是近场）辐射。这不但严重污染周围电磁环境，对附近的电气设备造成电磁干扰，还可能危及附近操作人员的安全。同时，电力电子电路（如开关变换器）内部的控制电路也必须能承受开关动作产生的EMI及应用现场电磁噪声的干扰。
上述特殊性，再加上EMI测量上的具体困难，在电力电子的电磁兼容领域里，存在着许多交叉科学的前沿课题有待人们研究。国内外许多大学均开展了电力电子电路的电磁干扰和电磁兼容性问题的研究，并取得了不少可喜成果。近几年的研究成果表明，开关变换器中的电磁噪声源，主要来自主开关器件的开关作用所产生的电压、电流变化。变化速度越快，电磁噪声越大。
（12）设计和测试技术
建模、仿真和CAD是一种新的设计工具，为仿真电源系统，首先要建立仿真模型，包括电力电子器件、变换器电路、数字和模拟控制电路，以及磁元件和磁场分布模型等，还要考虑开关管的热模型、可靠性模型和EMC模型。各种模型差别很大，建模的发展方向是：数字-模拟混合建模、混合层次建模，以及将各种模型组成一个统一的多层次模型等。
电源系统的CAD包括主电路和控制电路设计、器件选择、参数最优化、磁设计、热设计、EMI设计和印制电路板设计、可靠性预估、计算机辅助综合和优化设计等。用基于仿真的专家系统进行电源系统的CAD，可使所设计的系统性能最优，减少设计制造费用，并能做可制造性分析，是21世纪仿真和CAD技术的发展方向之一。此外，电源系统的热测试、EMI测试、可靠性测试等技术的开发、研究与应用也是应大力发展的。
（13）电源设备的标准规范
电源设备要进入区域融贯全球的一体化市场，必须遵从能源、环境、电磁兼容、贸易协定等共同准则，电源设备生产厂家必须接受安全、EMC、环境、质量体系等种种标准规范的认证。
3.国内生产发展及市场发展
（1）生产发展
目前中国制造的开关电源占了世界市场的80%，但是在高端市场上几乎没有份额。我国目前能源紧缺，而电源行业又是一个与能源消耗密切相关的行业，所以需要政府以及学会团体在电源的发展方向做出指导。
（2）市场发展
我国信息产业、国防工业、家电行业，特别是电信业的迅猛发展，是电源市场发展的强大推动力。据国家统计局最新资料显示，当前我国电子信息产业的产区、产出、销售总规模以及对国家经济增长的贡献均居全国各工业行业之首，成为我国工业第一支柱产业。
由于开关电源巨大的市场需求，孕育了大批电源的生产企业。成规模的企业有十几家，分为三种类型：第一类是自主研制开发，已生产出具有先进水平的系列电源产品，不仅可以满足各种电子设备的需要，而且在航空、铁路、电力、国防、家电等行业中广泛应用；第二类是中外合资企业，它们采用国外较为先进的技术，在国内用户中有较高的信誉度；第三类是进口部件国内组装，然后直接销售到国外市场，产品质量好，但成本也高，对国内市场的适应能力较差。
（3）标准制定
20世纪90年代初，开关电源的应用刚刚在电子、电信行业起步，我国适时颁布的《通信用高频开关整流器》和《通信局（站）电源系统总技术要求》等标准对指导生产、服务用户起到了重要作用，为开关电源在电信行业的迅速推广也起到了积极作用。随着市场的扩大，用户对电源智能化程度的要求越来越高，有关通信电源集中监控的标准相继被推出。随着技术不断进步，经验逐渐积累，深感行业标准急需修订，技术指标需要改进，测试方法需要完善，内容需要增加，例如动态响应、电磁兼容等，为把好产品质量关提供更可靠的依据。
1.2.2 开关电源的发展趋势
在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源，传统的电路非常庞大而笨重，如果采用开关电源技术，其体积和重量都会大幅度下降，而且可极大地提高电源利用效率、节省材料、降低成本，更可体现技术含量的价值。在电动汽车和变频传动中，更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率，从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。开关电源技术是各种大功率电源（逆变焊机、通信电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等）的核心技术。新的器件和新的拓扑理论的出现使得开关电源技术日趋可靠、成熟、经济、适用。开关电源目前的发展可以概括为以下几个方面。
1.高频化
随着开关频率的提高，开关变换器的体积也随之减小，功率密度也得到大幅提升，动态响应得到改善。小功率DC/DC变换器的开关频率将上升到MHz级。但随着开关频率的不断提高，开关元件和无源元件的损耗增加，高频寄生参数以及高频EMI等新的问题也将随之产生。
理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积、重量与供电频率的平方根成反比。所以当把频率从工频50Hz提高到20kHz，提高了400倍时，用电设备的体积、重量大体下降至工频设计的5%～10%。无论是逆变式整流焊机，还是通信用的开关式整流器都是基于这一原理。这促使许多原来采用传统技术的电源高频化，带来显著节能、节约材料的经济效益，更可体现技术含量的价值。
而高频化又必然使传统的PWM开关（属硬开关）功耗加大，效率降低，噪声也提高了，达不到高频、高效的预期效益，因此实现零电压导通、零电流关断的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流。采用软开关技术可使效率达到85%～88%。据悉，美国WI-COR开关电源公司设计制造了多种软开关 DC/DC变换器，其最大输出功率有800W、600W、300W等，相应的功率密度为6.2W/cm3、10W/cm3、17W/cm3，效率为80%～90%；日本NemicLambda公司刚推出一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列（日本人称这种技术为“部分谐振”），开关频率为20～300kHz，功率密度为27W/cm3，用同步整流器（用MOS-FER代替肖特基二极管）使整个电路效率提高到90%。
针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化，其噪声也必将随着增大；而采用部分谐振转换电路技术，在理论上既可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。
开关电源的高频化，必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减小器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。
软开关技术
具有代表性的是无源软开关技术和有源软开关技术，主要包括零电压开关/零电流开关（ZVS/ZCS）谐振、准谐振、零电压/零电流脉宽调制技术（ZVS/ZCS-PWM），以及零电压过渡/零电流过渡脉宽调制（ZVT/ZCT-PWM）技术等。采用软开关技术可以有效地降低开关损耗和开关应力，有助于变换器变换效率的提高。
开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化，由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs）下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元件，以确保开关电源的轻、小、薄。
2.模块化
模块化
模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。近年来，有些公司把开关电源的驱动保护电路也封装到功率模块中去，构成了“智能化”功率模块（IPM），不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。实际上，由于频率的不断提高，致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，对器件造成更大的电应力（表现为过电压、过电流、毛刺）。为了提高系统的可靠性，有些制造商开发了“用户专用”功率模块（ASPM），它把一台整机的所有硬件都以芯片的形式封装到一个模块中，这样的模块经过严格合理的热、电、机械方面的设计，达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路（ASIC）。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片，再把整个模块固定在相应的散热器上，就构成一台新型的开关电源装置。由此可见，模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。另外，大功率的开关电源由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑，一般采用多个独立的模块单元并联工作，采用均流技术，所有模块共同分担负载电流。一旦其中某个模块失效，其他模块再平均分担负载电流。这样，不但提高了功率容量，在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求，而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块，极大地提高系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作，而且为修复提供充分的时间。
模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N+1冗余电源系统，实现并联方式的容量扩展。
3.数字化
在传统功率电子技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在20世纪60～70年代，电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是，现在数字式信号、数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点：便于计算机处理控制，避免模拟信号的畸变失真，减小杂散信号的干扰（提高抗干扰能力），便于软件包调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、容错等技术的植入。所以，20世纪80～90年代，对于各类电路和系统的设计来说，模拟技术还是有用的，特别是诸如印制板的布图、电磁兼容（EMC）问题以及功率因数修正（PFC）等问题的解决，离不开模拟技术的知识。但是对于智能化的开关电源，需要用计算机控制时，就离不开数字化技术了。
目前，在整个的电子模拟电路系统中，电视、音响设备、照片处理、通信、网络等都逐步实现了数字化，而最后一个没有实现数字化的堡垒就是电源领域。近年来，数字电源的研究势头不减，成果也越来越多。在电源数字化方面走在前面的公司主要有TI和Micro-chip。TI公司既有DSP方面的优势，又兼并了PWM IC专业制造商UNITRODE公司，该公司已经用TMS320C28F10制成了通信用的48V输出大功率电源模组，其中PFC和PWM部分完全为数字控制。现在，TI公司已经研发出多款数字式PWM控制芯片。目前主要是UCD7000系列、UCD8000系列和UCD9000系列，它们将成为下一代数字电源的探路者。数字式PWM控制芯片包含硬件部分，也包含软件编程。硬件部分包括PWM的逻辑部分、时钟、放大器回路的模数转换、数模转换以及数字处理、驱动，同步整流的检测和处理等。
4.功率因数校正技术（PFC）
由于AC/DC变换电路的输入端有整流元件和滤波电容，在正弦电压输入时，单相整流电源供电的电子设备，电网侧（交流输入端）功率因数仅为0.6～0.65。采用PFC（功率因数校正）变换器，网侧功率因数可提高到0.95～0.99，输入电流THD小于20%。这样既治理了电网的谐波污染，又提高了电源的整体效率。
PFC技术起源于1980年，但被重视和推广则在20世纪80年代末期和20世纪90年代。由于欧洲和日本相继对开关电源装置的输入谐波要求制定了标准，目前有两个标准，它们是IEC555-2和IEC1000-3-2，使得研究PFC技术成为电源界的热点。通常有两大类PFC技术：
PFC技术
一类是无源PFC技术，另一类是有源PFC技术。无源PFC技术采用无源元件来改善输入功率因数，减小电流谐波，以满足标准要求。其特点是简单，但体积庞大、笨重，有些场合则无法满足要求。
有源功率因数校正技术的目的在于改善开关电源的输入功率因数，减小输入电流谐波，以满足IEC1000-3-2标准。具体的实现方式很多，但主要的方法有两种：
① 在整流滤波电路和DC/DC功率级之间串入一个有源PFC作为前置级，用于提高功率因数和实现DC/DC级输入的预稳，这种方法称为两级PFC技术，用做PFC电路的功率级基本上是Boost变换器。两级PFC技术一般用于较大功率输出的应用场合。
② 努力将PFC级与DC/DC功率级中的一些元件公用，并实现统一的控制，通常公用的元件是MOSFET。目前将这种方法称为单级PFC技术，实际上它不是纯单级PFC，应当是单开关PFC。这种技术由于控制简单，元件少，因此小功率应用非常适合。但它的功率因数、谐波等指标与功率级效率、输入电压范围、负载范围等密切相关、因此设计和优化显得尤为重要。
（1）两级PFC技术的现状和趋势
目前文献上研究的两级PFC技术一般都是指BoostPFC前置级和后随的DC/DC功率变换级。对第一级BoostPFC而言，研究的热点主要有两个，一是功率级的进一步完善；另一个是PFC的控制简化。前一个问题是因为在Boost电路中，输出比输入高，因而保持最低的中间母线电压也必须大于最高输入电压的峰值，这由电网电压的范围决定。在我国，如果仅考虑单相电网输入，最高电压为270V，则该母线电压就须设置为385～400V。高压输出对MOSFET的开通损耗，二极管的反向恢复损耗而言，在PWM硬开关工作状态下，都会相当大。因此，一个最大的问题就是如何减小或者消除这两个损耗，相应就有许多软开关Boost变换器理论的研究，现在较具代表性的有两种技术，一种是有源吸收技术；另一种是无源吸收技术。
有源吸收技术是采用附加的一些有源开关（辅助MOSFET），无源L、C和二极管元件，通过控制开关的时序，使得Boost变换器电路中的主开关和主二极管实现ZVS和ZCS。许多相应的Boost变换器电路已经被发明，如ZVT、ZCTBoost变换器、有源钳位Boost变换器、ZVZCS-Boost变换器等。有源吸收技术虽然能较好地解决主开关的软开关问题，但辅助开关自身往往仍是硬开关，仍会产生很大的功率损耗。再加上复杂的时序控制，使得变换器的成本增加，可靠性降低，在实际的产品设计中并不经常采用这种技术。
无源吸收技术则采用无损元件L、C和二极管组成的网络，来延缓MOSFET的du/dt和二极管的di/dt，从而减小开通损耗和反向恢复损耗。这类吸收技术最近又获得新的进展，原因是它的成本较为低廉且不需要复杂的控制，可靠性较高。
除了对BoostPFC功率级的软开关技术研究外，另一个较为关注的研究方向是PFC的控制技术。目前最为常用的控制技术有三种：工作模式（CCM）平均电流型控制BoostPFC、CCM/DCM边界控制BoostPFC、电流钳位（CurrentClamp）控制BoostPFC，下面分别予以简单介绍。
①平均电流型控制BoostPFC是通过检测Boost电感电流与正弦电流基准比较的，误差放大后，再与斜波信号比较产生PWM占空比信号，去控制主开关，以实现单位功率因数校正和稳定的输出电压。其中正弦电流基准信号由AB/C获得，A为输出检测信号经误差放大后的输出，B是全波正弦输入电压的取样信号，C则为输入交流电压取样信号的平均值平方。这种技术的电压环带宽控制小于20Hz，电流环则要求足够快，以保证不失真和低的谐波要求。它有专用控制器芯片，如UC3854，目前通常用于1kW以上的功率级。这种技术的优点是定频控制，功率因数高；缺点是要检测电感电流，控制器外围参数设计和选择较为复杂。
② CCM/DCM边界控制BoostPFC则是一种滞后控制技术，它的上限是一个正弦基准电流，由输出检测信号经误差放大后与输入全波电压的检测信号相乘获得，下限则为零。具体是通过检测开关电流与正弦基准相比较，当达到该基准时，关断开关；在电感电流到达零时，再次开通。这种控制使得电感电流为临界流工作状态，即CCM/DCM边界。可以消除二极管的反向恢复损耗，大大减小主开关的非零电压开通损耗。但它是一种变频控制技术，EMI滤波器的设计较为困难。另外，由于电感较小，电感纹波电流较大，使得开关器件的通态损耗有所增加，因此在1kW以内可以采用这种技术。其优点是控制简单，专用芯片如MC34262。
③ 电流钳位（CurrentClamp）控制BoostPFC则是前几年才引进的一种简单技术，它实际上就是电流（峰值）控制型Boost电路。由于外环是一个带宽非常低的电压环，其输出与开关电流比较去控制主开关的占空比，由此产生的输入电流介于正弦电流与方波电流之间，但仍有很高的功率因数。只要补偿斜波的参数选择得当，便可相当容易地满足IEC1000-3-2标准。这种技术的控制器就是专门的电流型PWM控制器，如 UC3842～UC3845。最大占空比的控制和前馈环节的加入都会明显改善波形和功率因数。这种技术因控制极其简单，但谐波性能指标相对较差而多用于小功率场合（450W以内）。
除了上面三种常用的控制技术外，还有许多其他的控制技术，如onecycle控制的PFC技术、非线性载波控制的PFC技术等。简化PFC控制，也即如何省掉乘法器是目前研究控制的目标。对于两级技术中的后一级，一般是一个隔离DC/DC功率变换器，它的目的是将中间母线电压变成所需的负载电压。很多负载对该电压的要求是低纹波、高精度和好的动态响应、小的EMI等，因此对这个DC/DC变换器及其控制也会提出很高的要求。作为完整的一个开关电源，高效率和轻量化是最关键的要求，由于BoostPFC的加入，相应地会降低整个电源的效率，增加总电源的体积，所以这一级的选择、设计和优化就显得非常重要。
（2）单级PFC技术的现状和趋势
早在1990年，美国科罗拉多大学Erickson教授等将前置级Boost电路和后随级Flyback（反激）变换器或者Forward（正激）变换器的MOSFET公用，提出所谓的单级PFC变换器，研究单级PFC技术的目的是减少元件，节约成本，提高效率和简化控制等。与传统的两级电路比较，省了一个MOSFET但增加了一个二极管，另外其控制是一般的PWM方式，故相当简单。为保证高输入功率因数，输入电感的电流应当为DCM方式，在这里控制器的作用是保证快速、稳定地输出，对于输入的功率因数则需功率级自身获得。功率因数的高低、谐波电流的高低，与电感Lin的大小、拓扑结构等密切相关，这便是近五六年来研究单级PFC结构的真正动机。
回顾单级PFC技术的研究历程，不难发现，展开这种研究的前提条件是：IEC1000-3-2标准，只对各次电流谐波做了要求，而对功率因数并没要求，一个功率因数只有0.70左右的开关电源仍可满足各次电流谐波的要求。所以只要有效改善电流波形，电源产品就有可能达到谐波标准，与真正的有源PFC技术不同，它对功率因数仅做开环控制。事实上已不能称为PFC，但鉴于传统，这里仍称单级PFC技术。
单级PFC电路在实际电路中存在着一个非常严重的问题：当负载变轻，达到临界连续状态时，由于输出能量迅速减少，但控制占空比（由负载决定）没有变化，输入能量维持不变，使得此时Pin＞Pout，多余的输入能量将对中间储能电容充电，Ucb（电容器两端的电压）增加，占空比减小，从而Pin减小，最终达到一个新的平衡态即Pin=Pout，这一过程使中间储能电容电压到达一个很高值。在电路中，对于90～265V的交流电网，该电压会达到甚至超过1000V。就目前的电容技术、功率器件技术，这么高的电压都是不实际的，因此无法实用。此后的许多单级PFC电路都在努力，如何将Ucbmax降至450V以内，以便可以利用现有的电容和功率器件。
单级PFC技术的研究仍然呈现上升的趋势，原因是性能尚未最优，许多问题有待进一步解决。例如中间储能电容电压仍望降至400V以下。分析与设计还有一大堆问题要做，与两级PFC技术还要做出客观比较。
5.同步整流技术
从20世纪90年代末期同步整流技术诞生以来，开关电源技术得到了极大的发展，采用IC控制技术的同步整流方案已被开关电源研发工程师普遍接受，现在的同步整流技术都在努力实现ZVS、ZCS方式的同步整流。
从2002年美国银河公司发表了ZVS同步整流技术专利之后，现在已经得到了广泛应用。这种方式的同步整流技术巧妙地将二次侧驱动同步整流的脉冲信号调为比一次侧的PWM脉冲信号上升沿超前、下降沿滞后的方法实现了同步整流MOS的ZVS方式工作。最新问世的双输出式PWM控制IC几乎都在控制逻辑内增加了对二次侧实现ZVS同步整流的控制端子。例如，LINEAR公司的LTC3722、LTC3723，INTERSIL公司的ISL6752等。这些IC不仅努力解决好初级侧功率MOSFET的软开关，而且着力解决好二次侧的ZVS方式的同步整流，转换效率可达94%。
在非对称的开关电源电路拓扑中，特别是对于性能良好的正激电路或正激有源钳位电路，在二次侧的同步整流中，为了实现ZVS方式的同步整流，消除MOSFET体二极管的导通损耗和反向恢复时带来的损耗，TI公司的专利“预检测栅驱动技术”，在控制芯片中增加了大量的数字控制技术，正激电路同步整流的控制芯片UCC27228的诞生使正激电路的效率达到了前所未有的高效率。再配合好初级侧的有源钳位技术之后，使这种最新的电路模式既做到了初级侧的软开关ZVS工作方式，又解决了磁芯复位及能量回馈，减轻了功率MOSGET的电压应力，还做到了二次侧的ZVS最佳状态的同步整流。综合使用这两项技术的中小功率的DC/DC变换器，其效率都在94%以上，功率密度也都能达到每英寸200W。
6.非隔离DC/DC技术
近年来，非隔离DC/DC技术发展迅速。目前一套电子设备或电子系统由于负载不同，会要求电源系统提供多个电源挡级。如台式PC就要求有+12V、+5V、+3.3V、-12V四种电压以及待机的+5V电压，主机板上则需要2.5V、1.8V、1.5V甚至1V等。一套AC/DC中不可能给出这么多的电压输出，而大多数低压供电电流都很大，因此开发了很多非隔离的DC/DC，它们基本上可以分为两大类。一类在内部包含有功率开关元件，称DC/DC变换器；另一类不含功率开关，需要外接功率MOSFET，称为DC/DC控制器。按照电路功能划分，有降压的STEP-DOWN、升压的BOOST，还有能升降压的BUCK-BOOST或SEPIC等，以及正压转成负压的INVERTOR等。其中品种最多、发展最快的还是降压的STEP-DOWN。根据输出电流的大小，分为单相、两相及多相。控制方式以PWM为主，小部分为PFM。
在非隔离的DC/DC转换技术中，TI公司的预检测栅驱动技术采用数字技术控制同步BUCK，采用这种技术的DC/DC转换效率最高可以达到97%，其中TPS40071等是其代表产品。BOOST升压方式也出现了采用MOSFET代替二极管的同步BOOST的产品。在低压领域，增加效率的幅度很大，而且正在设法进一步消除MOSFET的体二极管的导通以及反向恢复问题。
7.初级PWM控制IC的优化
有源钳位技术历经十余年经久不衰，自从2002年VICOR公司此项专利技术到期解禁之后，各家公司开发的新型有源钳位控制IC如雨后春笋般涌现，给用户提供了充分的选择余地。不仅保持了原有的UCC3580系列，又新开发了性能更优越的UCC2891-94，它采用电流型控制方式，综合了高边钳位、低边钳位两种控制方案，给出了全新的控制技巧。ON-SEMI先推出了低压（100V）有源钳位的NCP1560控制芯片，随后又推出了高压应用的控制芯片NCP1280，它既解决了LCDTV等离子TV电源的要求，现在又直指下一代无风扇的PC电源。
美国NS公司的5000系列中专门有一款LM5025的有源钳位控制IC，SEMTECH公司也推出了有源钳位的控制芯片，型号是SC4910，可见其背后蕴藏着巨大的市场商机。直到最近TI公司又推出有源钳位控制ICUCC2897，已经将有源钳位的PWM控制做到了完美无缺。而飞兆公司则给出了最廉价的有源钳位控制IC，即SD7558和SD7559。
在大功率领域，全桥移相ZVS软开关技术在解决开关电源的效率上功不可没。从TI公司的UC3857到UCC3895，再从LINEAR公司的LTC1992到LTC3772，增加了自适应检测技术，使全桥移相技术达到了顶峰。然而，在同步整流技术普遍应用的今天，它却无法实现最佳的ZVS同步整流。因为全桥移相电路在本质上是属于非对称的，它无法实现完全的ZVS同步整流，由于其开启和关断过程总有一半是硬开关，因而效率比不上对称电路拓扑的ZVS方式的同步整流。最新的科技成果应该是INTERSIL公司推出的PWM对称全桥的ZVS控制ICISL6752。它既能控制初级侧的四个MOS开关为ZVS工作状态，又能准确地给出控制二次侧的同步整流为ZVS工作状态的驱动信号。采用此IC制作的400W的DC/DC再加上先进的功率MOSFET，转换效率可达到95%。
对于小功率的开关电源，则仍然是反激变换器的PWM控制IC，但是它必须要能很好地解决二次侧的同步整流控制方式。ONSEMI公司的NCP1207和NCP1377是高压AC/DC领域的佼佼者，若能再配上TI公司的反激变换器的同步整流控制ICUCC27226，则能使它们成为几乎完美无瑕的高效率电源。在低压DC/DC领域中的反激变换器控制IC中，LINEAR公司的LTC3806则是上乘之作，LTC3806不仅能控制信号PWM，还能给出准确的二次侧同步整流驱动信号，是低压小功率电源控制IC的杰作。
综上所述，开关电源设计时可以选择最佳控制方式和最佳电路拓扑。大功率应该是全桥ZVS加上二次侧ZVS同步整流，典型控制IC是ISL6752，中等功率到小功率应该是有源钳位正激变换ZVS软开关配上二次侧的预检测栅驱动技术的同步整流，而小功率应该是配好同步整流的反激变换。当然，这里没有绝对的界限，只是不同的条件下应该有相应的最佳选择。
8.绿色化
电源系统的绿色化有两层含义：首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染；其次这些电源不能（或少）对电网产生污染，国际电工委员会（IEC）对此制定了一系列标准，如 IEC555、IEC917、IEC1000等。事实上，许多功率电子节电设备，往往会变成对电网的污染源，向电网注入严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。20世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，有了多种校正功率因数的方法，这些为21世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。
现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础，随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现，现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下，由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性，使器件性能对开关电源性能的影响降至最小，新型的电源电路拓扑和新型的控制技术，可使功率开关工作在零电压或零电流状态，从而可大大提高工作频率，提高开关电源工作效率，设计出性能优良的开关电源。
未来的开关电源的工作频率高达2～10MHz，效率达到95%，功率密度为3～6W/cm3，功率因数高达0.99，长期使用完好，寿命在80000h以上。这就是开关电源的发展趋势。所谓高标准就是对未来开关电源的挑战：
未来挑战
① 能不能全面达到电磁兼容性的各项技术标准。
② 在企业里能不能大规模地、稳定地生产，或快捷地进行单项生产。
③ 按照人们的需要，能不能组装或拼装大容量、高效率的电源。
④ 能否使新的开关电源具有比运行中的电气额定值更高的功率因数、更低的输出电压（1～3V）、更大的输出电流（数百安）。
⑤ 能不能实现更小的电源模块。
总而言之，电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展，新技术的出现又会使许多应用产品更新换代，还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现，将标志着这些技术的成熟，实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年，随着通信行业的发展，以开关电源技术为核心的通信用开关电源，仅国内有20多亿人民币的市场需求，吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋，因此，同样具有几十亿元产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动，并将很快发展起来。还有其他许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。
1.2.3 国外开关电源的技术动态
1.开关电源电路器件
（1）半导体器件
功率半导体器件仍然是电力电子技术发展的“龙头”，电力电子技术的进步必须依靠不断推出的新型电力电子器件。功率场效应管（MOSFET）由于单极性多子导电，显著地减少了开关时间，因而很容易地便可达到1MHz的开关工作频率而受到世人瞩目。要提高MOSFET的阻断电压必须加宽器件的漂移区，结果使器件内阻迅速增大，器件的通态压降增高，通态损耗增大，所以只能应用于中小功率产品。为了降低通态电阻，美国IR公司采用提高单位面积内原胞个数的方法。如 IR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每平方英寸1.12亿个的水平，通态电阻R可达3mΩ。自1996年以来，HEXFET通态电阻以每年50%的速度下降。IR公司还开发了一种低栅极电荷（QG）的HEXFET，使开关速度更快，同时兼顾通态电阻和栅极电荷两者同时降低，则R×QG的下降率为每年30%。对于肖特基二极管的开发，最近利用TRENCH结构，有望出现压降更小的肖特基二极管，称为TMBS-沟槽MOS势垒肖特基，有可能在极低电源电压应用中与同步整流的MOSFET竞争。
作为半导体器件的硅材料“统治”半导体器件已60年有余，目前硅性能潜力的进一步挖掘是很有难度的。从20世纪70年代，特别是20世纪80～90年代以来，有关半导体器件材料如砷化镓（GaAs）、半导体金刚石、碳化硅（SiC）的研究始终在进行着。进入20世纪90年代以后，对碳化硅的研究达到了热点。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。实验表明，电压达300V的SiC肖特基二极管（另一电极用金、钯、钛、钴均可），反向漏电流小于0.1mA/mm，而反向恢复时间几乎为零。
一段时间曾认为砷化镓很有希望取代硅半导体材料，现在实验表明，碳化硅材料性能更优越。SiC的研究所以滞后于GaAs，主要原因是SiC晶体的制造难度太大。当温度高于2000℃时，SiC尚未熔化，但到了2400℃时SiC已升华变成气体了。现在是利用升华法直接从气体状态生长晶体。目前的问题是要进一步改善SiC表面与金属的接触特性和进一步完善SiC的制造工艺，这些问题预计在5～10年内得到解决。当应用SiC制造的半导体器件得到广泛应用时，对电力电子技术的影响将会是革命性的。
（2）新型变压器
变压器是电力电子产品或开关电源中重要的必不可少的部件，平面变压器是近两年才面世的一种全新产品。与常规变压器不同，平面变压器没有铜导线，是用单层或多层印制电路板，因而厚度远低于常规变压器，能够直接制作在印制电路板上。其突出优点是能量密度高，因而体积大大缩小，相当于常规变压器的20%；效率高，通常为97%～99%；工作频率高，为50kHz～2MHz；低漏感（小于0.2%）；低电磁干扰（EMI）等。
压电变压器
压电变压器是应用电能—机械能—电能的一种新型变压器，它是利用压电陶瓷电致伸缩的正向和反向特性而制成的。两片压电陶瓷紧密牢固地结合在一起，将原边交变电压加于一片压电陶瓷的水平曲线，这片压电陶瓷将产生垂直方向的机械振动而使另一片牢固结合的压电陶瓷跟着一起作垂直振动，此时将在其水平轴线方向产生电压（次级输出电压）。目前这种变压器功率还不大，适用于电压较高而电流较小的应用场合。
在开关电源中，应用压电（Piezo-electric）变压器（简称PET）可以使开关电源实现轻、小、薄和高功率密度。例如，一台DC/DC开关电源中的PET，其DC/DC转换器输入为有源钳位ZVS逆变电路，产生梯形波交流电，经过PET输出给整流滤波电路。
压电变压器的等效电路如同一个串并联谐振电路，它是功率转换领域的研究热点之一，研究的内容包括：压电材料的损耗评估、PET设计计算方法、仿真、参数分析、有限元分析、振动速度极限、PET的高频性能等。
（3）超级电容器
超级电容器是电容器件近年来的最新进展，美国的麦克韦尔公司一直保持着超容电容技术的世界领先地位。超级电容器采用了独特的金属/碳电极技术和先进的非水电解质，具有极大的电极表面和极小的相对距离。现在已开发生产出多种具有广泛适用范围的超级电容器单元和组件，单元容量小到10F，大到2700F。超级电容器可方便地串联组合成高压组件或并联组合成高能量存储组件，目前，超级电容器组件已可提供650V的高压高能量应用。
2.电路集成和系统集成及封装工艺
（1）模块化、集成化
开关电源发展方向是模块化、集成化、智能化，具有各种控制功能的专用芯片近几年发展很迅速，如功率因数校正（PFC）电路用的控制芯片，软开关控制用的ZVS、ZCS芯片，移相全桥用的控制芯片，ZVT、ZCT、PWM专用控制芯片，并联均流控制芯片，电流反馈控制芯片等。功率半导体器件则有功率集成电路（POWERIC）和IPM。IPM以IGBT作为功率开关，将控制、驱动、保护、检测电路一起封装在一个模块内。由于外部接线、焊点减少，可靠性显著提高。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。
（2）系统集成
电路集成的进一步发展方向是系统集成，如早期的开关电源是将200～300个零件装配在一起成为一个系统的。这样做法要花很多时间和人工，成本也高，也难于做得体积很小。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微控化，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，被称为“大脑”（BRAIN）。“大脑”是两片厚膜电路，由VICOR公司自行开发生产，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%。
第二代产品的另一个突破是变压器的改良，采用屏蔽式结构和镀铜磁芯，把初级和次级线圈分置左右两边而温升很低。寄生电容和共模噪声也很低。变压器处理功率的密度达到了每立方英寸100W，温升只有3℃。
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。第二代产品的集成度显然提高了，但还不是系统集成。李泽元教授领导的美国电力电子系统中心（Centerof Power Electronics Systems， CPES）已经提出了系统集成的设想，信息传输、控制与功率半导体器件全部集成在一起，组成的元件之间不用导线连接以增加可靠性，采用三维空间热耗散的方法来改善散热，有可能将功率从低功率（几百瓦～千瓦）做到高功率（几十千瓦以上）。
系统集成的结果是，可以改变现在的半自动化、半人工的组装工艺而达到完全自动化生产，因而可以降低成本，有利于普及推广。英特尔微处理器的发展趋势是速度更快，电压更低，而需要的电流容量一直在增加。20世纪末英特尔微处理器工作电压是2～3V/10A，工作频率是300MHz。而两年后它的工作电压降到1V，电流30～50A，工作频率为1GHz。其做法是把开关电源紧靠在微处理器上，开关电源以很快的速度提供电流给微处理器，这样尚能满足现有微处理器的要求。预计将来微处理器工作电压降低，电流增加，速度加快，现有的解决方法将无法达到它的要求。为此，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。今天英特尔公司大部分人接受了这一想法而在积极促成此事。提出的构想是：开关电源紧密结合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。如何减小体积是面临的新挑战！
3.低压大电流DC/DC变换技术发展动态
低压大电流高功率DC/DC变换技术，已从前些年的3.3V降至现在的1.0V左右，电流目前已可达到几十安至几百安等；同时，电源的输出指标，如纹波、精度、效率、欠冲、过冲等技术指标也得到进一步提高。所有这些使得这一分支技术的研究在当今乃至今后一段时间内，都将成为电力电子界的热点。它的研究内容非常广泛，有电路拓扑结构，有动态问题，尤其是负载的大信号动态问题，有同步整流技术的研究，有控制技术的研究，还有许多相关技术的研究，诸如布线、集成磁技术、包装技术、高频功率器件技术等。
提高效率方法
对于低电压大电流输出的开关电源，进一步提高其效率的措施是：在应用软开关技术的基础上，以功率MOS管反接作为整流用开关二极管，称为同步整流（Synchronous Rectifier，SR），用MOS管代替肖特基二极管（SBD）可以降低整流管压降，从而提高开关电源的效率。有报道称，应用软开关和同步整流技术的小功率DC/DC转换器开关电源，48V/12V模块的效率可以达到96%，48V/5V模块的效率可以达到92%～93%。
日本在一台100W的软开关（ZVS）开关电源上试验的结果是，用SBD的开关电源效率为83%，电路损耗（包括整流器件、变压器、开关管、控制电路、滤波器等）为21W；而改用SR后的开关电源效率为90%，电路损耗为11W。
（1）无暂态要求的低压大电流DC/DC变换技术
这一类变换器是针对另外一类，即负载极其快速变化的低压大电流DC/DC变换技术而言的，并非一点没有暂态要求。低压大电流DC/DC变换技术的关键是寻找合适的拓扑结构，使变压器的副边波形能直接驱动代替二极管的同步整流MOSFET，这样既能保持简单性，又能实现高效率。在低压大电流输出的电源中，副边整流环节的损耗占整个损耗的极大部分。最好的肖特基二极管也有0.25V正向压降，将产生巨大的导通损耗，所以整流器件的唯一选择是用同步整流MOSFET，副边的研究便主要集中在如何驱动同步整流MOSFET上。一种办法是采用外部控制电路，产生合适时序的驱动信号，去驱动同步整流MOSFET，简称外驱动技术；另一种办法便是选择拓扑，直接用副边波形来驱动同步整流MOSFET，简称自驱动技术。目前为了能用自驱动同步整流技术，与之相匹配的拓扑结构只有两种，一是有源钳位正激变换器；二为互补驱动半桥电路。
有源钳位
有源钳位正激变换器是一个美国专利，采用一个辅助管和电容串联再与变压器原边相并联，来实现磁化电流的去磁。当主开关断开时，磁化电流先通过辅助管的体二极管给电容充电，一旦该电流反向，辅助管便导通，电容对激磁电感反向激磁，达到去磁的目的。这种方式有许多优点，如可扩展占空比D＞0.5，原边开关管电压尖峰很小，副边的电压波形没有死区，从而可以作为副边两个同步整流MOSFET的自驱动信号等。在低压大电流DC/DC变换中，这是应用最为广泛的一种电路。
互补驱动半桥变换器也是一个美国专利，与对称驱动不同，半桥两个管子的驱动时序是互补的，稍留一些死区，与变压器原边串联一个隔直电容，该电容上的电压是一个直流电压，且与占空比有关，其值为Dvin，用以自动保持变压器的磁平衡。这个电路的最大占空比为0.5。因其副边的电压波形无死区，从而也是自驱动同步整流的合适拓扑，目前在低压大电流DC/DC变换器中的应用非常广泛。
除了这两种拓扑结构外，三绕组钳位正激变换器、谐振钳位正激变换器等也是可以考虑的，只是应用的时候，要考虑如何较简单地构成自驱动。构筑自驱动方式的好坏直接影响到控制的简单性、效率的高低以及电源的可靠性。
在低压大电流DC/DC变换器中，副边整流管的通态损耗尽管是最关键的一部分，但布线的损耗也不应忽视，尤其是大电流焊点处的损耗、印制板引线上的导电损耗等，如何减小焊点损耗，对提高效率关系重大。倍流整流技术可将副边的中心抽头省掉，副边的匝数至少可以省一匝。另外，它还提供了变压器与电感集成于一个铁芯上的理论可能性，构成集成磁技术的低压大电流DC/DC变换器。目前采用集成磁的电流倍增变压器和电感公用一个铁芯，副边绕组与电感绕组中的两个头公用，电感绕组的第三个头由一个外脚引出。构成的磁路很紧凑。全部原副边都可用印制板制作。由这种集成磁技术构成的低压大电流电源，具有很薄的厚度、非常高的功率密度，是理想的新一代高功率密度电源产品。
（2）负载快速变化的低压大电流DC/DC变换技术
Intel公司推出超高速下一代Pentium计算机，为其芯片供电的电源目前称为VRM（电压调节器模块）。它是一个崭新的应用领域。其中最重要的要求是负载的变化速度（Slew Rate）。传统VRM的输出为2.0～2.8V，电流为13.0A，SlewRate是30A/μs；而下一代VRM的目标则是：输出电压为1.2～1.65V，电流为70A，SlewRate是150A/μs。面对极其快速的负载变化和非常低的输出电压，电源的动态欠调和超调已成为VRM中最为困难的一个问题，它不仅与开关频率有关，而且与布线、引线电感、引线电阻、电容质量等密切相关。
由于VRM的输入电压仍然是一个可选项，因此目前的VRM研究有两种，一种是非隔离型VRM，另一种是隔离型VRM。非隔离型VRM直接用计算机输出电源中的5.0V或者3.3V作为VRM的输入，采用Buck变换器来实现；隔离型VRM则通常用48.0V或者24.0V作为输入电压，采用隔离变换器来实现。
① 非隔离型VRM。非隔离型VRM的输入电压一般直接取自计算机多输出电源中的一个输出，例如5.0V或者3.3V输出。故最佳的拓扑自然是Buck变换器，传统VRM因Slew Rate相对较低，开关频率通常选择在300kHz，拓扑结构则用同步整流Buck变换器，即续流二极管也用同步整流MOSFET代替，以提高效率。多数已有的产品采用电压型控制技术，在负载变化时，饱和开关占空比，使之满足动态的要求。随着SlewRate的提高、输出电压的降低，传统的同步整流Buck变换器已无法满足动态要求。VPEC提出采用QSW Buck变换器的多个Interleaving技术，从理论上证明了它的有效性。但控制器相当复杂，而且要解决电流取样和均流等问题。由此也展开了许多新的研究领域，例如集成电感技术、器件的封装技术、新兴结构与工艺技术、新兴电容技术。目前这个研究组（VRM Group）共与7～8家美国的大公司携手合作，旨在攻克各种技术难题。
② 隔离型VRM。由于VRM的引入，对传统计算机电源系统也提出了新的挑战。一些输出电压的标称值可能会发生变化，系统的结构也需重新考虑，鉴于这种情况，VRM的输入也是一个选择项，因此在输入电压较高时，选择隔离DC/DC变换器最为合适。
隔离型VRM变换器的拓扑结构有源钳位正激变换器、互补驱动半桥变换器，以及一些集成磁的电流倍增隔离型VRM变换器，其动态要求的实现更加困难，这是因为其最大占空比的限制较小。一种办法是外加一个专门的暂态功率级电路，用以完成快速的负载变化要求，其理论和实验有待进一步深入。
低压大电流DC/DC变换技术的研究正在不断深入，避开专利技术的拓扑研究将成为新一轮的热点，如何解决快速负载变化引入的问题将成为近期的主要目标，一系列的新兴控制策略将会不断出台。新型元件、新型控制器，以及结构和工艺等方面的研究也会层出不穷。全部的这些研究成果又会推动其他DC/DC变换领域乃至整个电力电子行业的理论向一个更高的层次发展。
随着开关电源性能的不断提高，对开关电源的要求也是越来越高。一个开关电源的品质除了电性能指标外，还有许多其他指标，如环境温度、外形尺寸、EMI要求、抗振动要求、可靠性指标、集成度和美观性等。所有这些都决定了一个电源产品的市场竞争率。
目前对电力电子组件（PEBB）的研究、功率集成技术的研究、新型原材料和元件的研究，都希望从不同程度上提高电源的整体品质。电源相关技术的研究正处于迅速发展阶段，可以预计，下面几个问题是开关电源发展的永恒方向：
发展方向
① 开关电源频率要高，这样动态响应才能快，配合高速微处理器工作是必需的；也是减小体积的重要途径。
② 体积要减小，变压器电感、电容都要减小体积。
③ 效率要高，产生的热能会减少，散热会容易，容易达到高功率密度。