国内外开关电源参数优化发展如何？
1.高性能碳化硅(SiC)功率半导体器件
可以预见，碳化硅将是21世纪最有可能成功应用的新型功率半导体器件材料。其优点是:带隙、工作温度高(可达600℃)、通态电阻低、导热性好、漏电流极低、PN结耐压高等。
2.高频磁技术
高频开关变换器中使用的磁性元件种类繁多，有许多基础问题需要研究。
(1)随着开关电源的高频化，一些低频时可以忽略的寄生参数在高频时会对某些电路性能(如开关峰值能量和噪声水平)产生重要影响。特别是磁性元件的涡流、漏电感、绕组交流电阻Rac和分布电容在低频和高频时差别很大。高频磁技术理论作为一门前沿学科，仍然受到人们的广泛重视，如:铁损的数学建模、磁滞回线的仿真建模、高频磁元件的计算机仿真建模与CAD、高频变压器的一维和二维仿真模型等。还有待研究的问题:高频磁性元件的设计决定了高效开关电源的性能、损耗分布和波形等。人们希望给出设计准则、方法，磁参数和结构参数对电路性能的依赖关系，明确设计的自由和约束。
(2)对高频磁性材料有以下要求:损耗小，散热性能好，磁性能优越。人们关注适合兆赫频率的磁性材料，如5~6？在1MHz(Bm=0.1T)时，M超薄钴基非晶带的损耗仅为0.7~1W/cm3，是MnZn高频铁氧体的1/3~1/4。纳米晶软磁薄膜也在研究中。
(3)铁氧体或其他薄膜材料在硅片上高密度集成的研究。或者硅材料集成在铁氧体上，这是一种磁电混合集成技术。磁电混合集成还包括利用电感箔绕组层间的分布电容实现磁性元件和电容的混合集成。
3.新电容器
研发适用于供电系统的新型电容器和超大电容器。它需要大电容、小等效电阻(ESR)和小体积。据报道，美国在上世纪90年代末，已经研制出330？作为一种新型的固体钽电容器，它的等效串联电阻明显下降。
4.带功率因数校正的交流DC开关技术
高功率因数交流DC电源一般由两级组成:在DC-DC变换器前增加一个前级功率因数校正器，至少需要两个主开关和两套控制与驱动电路。所以对于小功率开关电源来说，整体效率低，成本高。
当输入功率因数不是特别高时，由PFC和变换器组合电路组成一个小功率交流-DC开关电源，只用一个主开关管就可以将PF校正到0.8以上，称为单管单级PF校正交流-DC变换器，简称S4。比如隔离的S4PF校正AC/DC变换器，采用DCM工作的Boost变换器作为前置功率因数校正器，反激变换器作为后置稳压器的主电路，按照CCM或DCM工作；两级电路共用一个主开关管。
5.高频开关电源的电磁兼容性研究。
高频开关电源的电磁兼容性有其特殊性。通常涉及到开关过程中产生的di/dt和dv/dt，引起强传导电磁干扰和谐波干扰。在某些情况下，还会引起强电磁场辐射。不仅严重污染周围电磁环境，对附近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，开关电源内部的控制电路也必须能够承受主电路和工业应用现场的电磁噪声的干扰。由于上述特殊性和具体的测量困难，开关电源电磁兼容性的研究工作还处于起步阶段。显然，在电磁兼容领域，有许多跨学科的前沿课题需要研究。如:典型电路和系统的近场、传导干扰和辐射干扰的建模；印刷电路板和开关电源的电磁兼容优化设计软件:低中频、超音频、高频强磁场对人体健康的影响；大功率开关电源电磁兼容测量方法的研究。
6.开关电源的设计与测试技术
建模、仿真和CAD是新的、方便的、经济的设计工具。为了模拟开关电源，首先要进行仿真建模。仿真模型应包括电力电子器件、变换器电路、数字和模拟控制电路、磁性元件和磁场分布模型、电路分布参数模型等。此外，还考虑了开关管的热模型、可靠性模型和电磁兼容模型。各种模型差别很大，所以建模的发展方向应该是:数模混合建模；混合分层建模；并将各种模型组合成统一的多层次模型(类似于电路模型，有框图等。);自动生成模型，使仿真软件具有自动建模的功能，节省用户的时间。在此基础上，可以建立模型库。
开关电源的CAD包括主电路和控制电路设计、器件选择、参数优化、磁设计、热设计、EMI设计和印刷电路板设计、可靠性预计、计算机辅助综合和优化设计。利用基于仿真的专家系统来CAD开关电源，可以优化所设计系统的性能，降低设计和制造成本，并进行可制造性分析，是21世纪仿真和CAD技术的发展方向之一。目前，国外已经开发了设计DC-DC开关变换器的专家系统和仿真用的MATSPICE软件。
此外，还应大力发展开关电源的热试验、EMI试验和可靠性试验的开发、研究和应用。
7.低压大电流开关电源的研制
(1)低压大电流开关变换器的要求
数据处理系统的速度和效率日益提高。新一代微处理器的逻辑电压低至1.1~1.8V，而电流达到50~100A。它的电源是一个低压大电流输出的DC-DC转换器模块，也称为电压调节模块(VRM)。新一代微处理器对VRM的要求是:输出电压低、输出电流大、电流变化率高、响应速度快等。
①为了降低ic的电场强度和功耗，必须降低微处理器的电源电压，所以VRM的输出电压要从传统的3V降到2V以下，甚至1v。
②运行时，电源输入电流>；100A，由于寄生L和C参数，电压扰动较大，应尽量减小L。
③微处理器频繁启动和停止，不断从休眠状态启动和工作，然后进入休眠状态。所以要求VRM电流从0到50A突然变化，然后突然下降到0，电流变化率达到5A/ns。
④设计时应控制扰动电压≤10%，输出电压允许有±2%的变化。
(2)采用波形交错技术。
线路的寄生阻抗、电容器的ESR和ESL对VRM在负载变化时的电压调节有很大影响。有必要开发一种高频、高功率密度、高速的新型电压调节模块。目前有多种拓扑结构，如:同步整流Buck变换器(用功率MOS管代替开关二极管)；为了防止电流大幅度变化时高频寄生参数对输出电压的扰动，文献中介绍采用多输入通道或多相DC-DC变换器，应用交错技术保证VRM输出纹波小，改善输出瞬态响应，降低输出滤波电感和电容。
(3)电压纹波和冲击电压。
①电压纹波和ESR。对于电压在1V以下，电流在100A以上的负载，负载电阻在10mω以下，低于滤波电容的内部等效串联电阻，就会出现电压纹波问题。现在假设这个电源可以用升压或者升压变换器来实现，但是流过电容的纹波电流在100A以上，效率不到50%。在这方面，降压转换器包含一个串联滤波电感，可以抑制纹波电流。但负载电阻相当于ESR，纹波电流分别流经电容和负载，其工作方式与电流滤波电路不同。
为了讨论纹波电压的作用方式，给出了等效电路进行仿真。根据Crc的值，仿真中有四种纹波电压。电压纹波值与RC/R的关系曲线也有四种动作模式，C越大，纹波率越小。为了进一步降低低压大电流的输出电压纹波，即降低滤波电容的ESR值，必须采取一定的方法和策略。
②负载突变引起的冲击电压。对于数字电路的负载，为了快速响应各种模式的转换，输出电压对应负载变化的瞬态响应特性非常重要。此时，如果电流的变化率大，并且脉冲产生时间短于开关周期Ts，则难以期望由反馈带来的输出电压稳定效果。目前技术还没有办法，处于模拟研究阶段。
(4)探索省略滤波电容的可能性。
如果输出电压因负载突变而波动，且波动持续时间超过开关周期，则可以通过反馈进行一定程度的调节，而LC滤波电路对这种电压调节效果起着决定性的作用。为了达到调压的目的，需要提高开关频率，降低L和C的值，使截止频率尽可能向高畴端延伸。有人考虑用两个不对称的逆变器(带变压器)输出两相方波，每个逆变器的输出电压通过半波整流接在同一个负载上，将截止频率延伸到高畴端。
开关频率由MOSFET的开关时间决定。为了提高开关效率并超过其极限值，在实践中可以采用多相开关来等效提高开关频率。然而，阶段的数量也是有限的。另外，变化的原因只是在负载侧，所以截止频率尽量低也是很有效的。为了实现这一目标，使用双电层电容滤波器可能是未来的发展方向。当然要考虑如何同时降低双电层电容的等效串联电阻和等效串联电感。
(5)便携式设备和燃料电池
对于笔记本电脑、手机、数码相机等便携电器来说，电源是最有问题的部分。便携设备的供电一直以传统电池为主，在便携性和长时间使用方面不能完全满足用户的要求。因此，由固体聚合物材料制成的燃料电池最近引起了大家的关注。燃料电池以甲醇为燃料，铂为催化剂，结构为电极间的电解质膜，能量密度可达锂电池的10倍。100℃以下工作温度包括常温发电，单节电压约为1~2V。本来氢气是最理想的燃料，但是从实用的角度来看，使用甲醇和铂催化剂的组合更方便。但是，它在跟随负载变化方面存在问题，因此需要与电容器结合使用，以保护电极。
燃料电池的优点是维护方便，可以长期使用。电量不足时，只需补充燃料即可，不需要长时间充电。
从低压大电流开关电源出发，探讨了开关电源未来的技术发展方向。根据摩尔定律，IC的集成度每18个月就会增加2倍，所以很难确定电压会降低到什么程度。如果这种趋势无限期持续下去，可以预计对电源的需求将会越来越高。要满足这些要求，首先新型半导体和电容的开发是前提，此外，从电路角度建立元器件的微结构模型也可能成为解决问题的关键点。因此，未来将越来越需要打破学科界限，进行多层次的协作研究。
8.低压大电流DC-DC转换器模块