從 1977 年開(kāi)始采用 Eurocard 的 AC/DC 開(kāi)關(guān)電源80 瓦(規(guī)格 160x100mm，圖中不帶電源變壓器)

　　在過(guò)去 40 年間，開(kāi)關(guān)電源從 50 Hz 變壓器一路演變成為高頻開(kāi)關(guān)電源，主要得益于半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了更快的發(fā)展。開(kāi)關(guān)電源從相對(duì)較慢的開(kāi)關(guān)晶閘管發(fā)展成為雙極型晶體管，前期采用低阻斷電壓，后期則發(fā)展為采用高阻斷電壓。這使得切換頻率達(dá)到了高至 60kHz 的水平。在 20 世紀(jì) 80 年代，場(chǎng)效應(yīng)晶體管屬于技術(shù)先進(jìn)產(chǎn)品，在市場(chǎng)上售價(jià)合理，性?xún)r(jià)比也較高。這使得進(jìn)一步提高切換頻率成為可能，這一次達(dá)到數(shù)百 kHz。當(dāng)然，不斷增加開(kāi)關(guān)電源中的切換頻率并不能解決問(wèn)題。由于磁力的物理特性，這會(huì)使得變電裝置越來(lái)越小，開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)也會(huì)相應(yīng)地越來(lái)越小。一方面，變電裝置需要實(shí)現(xiàn)與危險(xiǎn)干線(xiàn)電壓的絕緣;另一方面，變電裝置需要調(diào)整輸出電壓水平，以適應(yīng)消費(fèi)者的需求。但是，除非采用額外的冷卻方法，否則切換頻率越高，開(kāi)關(guān)的損耗也會(huì)越大，這一點(diǎn)與采用更小體積設(shè)計(jì)的目標(biāo)相悖。為此，我們現(xiàn)在使用的是更為復(fù)雜的切換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這樣，在無(wú)電壓或無(wú)電流狀態(tài)下開(kāi)關(guān)元件均可被接通和關(guān)斷。即使基于開(kāi)關(guān)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一功能，但目前的二極管和晶體管仍然使用了能夠極速切換的砷化鎵或碳化鎵開(kāi)關(guān)元件。盡管與 MOSFET 技術(shù)相比，這些組件仍然非常昂貴，但其價(jià)格已呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)，因此會(huì)越來(lái)越適合工業(yè)應(yīng)用。下面將詳細(xì)介紹進(jìn)一步提高切換頻率所帶來(lái)的發(fā)展機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)。

　　切換頻率對(duì)變電裝置大小的影響

　　20 世紀(jì) 70 年代，人們還在使用帶有 50Hz 變壓器的開(kāi)關(guān)電源，它們的外形也較大較重。一個(gè) 250 瓦的電源比鞋盒還大，重量約為 10 公斤。變電裝置一直是每個(gè)電源單元的重要組成部分，因此，它很大程度上影響了開(kāi)關(guān)電源的大小。變電裝置中的可傳遞能量主要取決于冷卻、變壓器鐵芯體積、繞組和磁場(chǎng)的變化率，這些因素也決定了傳輸頻率。因此，如果要在保持相同功率水平的同時(shí)，增加變壓器的可傳輸功率或縮小變壓器的尺寸，則需要提高傳輸頻率。在不考慮絕緣要求的情況下，變電裝置的可傳輸功率一級(jí)近似值與傳輸頻率的平方根成反比。因此，在現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源中，50Hz 的干線(xiàn)電壓先是被整流，然后通過(guò)電子開(kāi)關(guān)從直流電壓中產(chǎn)生交流電壓。例如，如果該交流電壓的頻率為 50kHz，則所需的變電裝置尺寸約是 50Hz 時(shí)的 30 分之一，而這自然也會(huì)影響開(kāi)關(guān)電源的體積和重量。在 500kHz 的頻率下，變電裝置的尺寸可以進(jìn)一步縮小至原來(lái)的三分之一。這意味著，頻率有任何額外的增加，變電裝置的尺寸也只能有適度的縮小。

　　切換頻率對(duì)緩沖器和濾波器尺寸的影響

　　在開(kāi)關(guān)電源中，電容器用于緩沖電流中斷時(shí)的電壓，平滑電流和電壓的殘余紋波，或過(guò)濾高頻干擾。這些電容器的尺寸也可以隨頻率呈線(xiàn)性縮小，從而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電源的體積減小。但是，這不包括開(kāi)關(guān)電源輸入端的緩沖電容器(無(wú)論是否進(jìn)行功率因數(shù)校正)，因?yàn)檫@些電容器必須在直流電(即 100Hz)下運(yùn)行。這也是不能隨意減小開(kāi)關(guān)電源尺寸的原因，除非省略了緩沖時(shí)間。

　　從 1990 年開(kāi)始采用金屬封裝的 AC/DC 開(kāi)關(guān)電源100 瓦 (160x93mm)

　　工作溫度和冷卻對(duì)開(kāi)關(guān)電源尺寸的影響

　　經(jīng)常被人們忽略的一點(diǎn)是，如果功率輸出不受電流或功率限制，則開(kāi)關(guān)電源的最大可傳輸功率主要取決于開(kāi)關(guān)電源中允許的最高工作溫度和冷卻組件。制造商的聲明上經(jīng)常會(huì)夸大其詞，但如果不能提供預(yù)期的冷卻效果，可能會(huì)導(dǎo)致用戶(hù)方出現(xiàn)問(wèn)題。因此，在選擇開(kāi)關(guān)電源時(shí)，最好參考制造商提供的能效等級(jí)或功率損失。如果一家制造商允許組件的工作溫度明顯高于另一家更保守的制造商，則開(kāi)關(guān)電源的額定功率可能會(huì)高出許多;然而，這會(huì)大大降低其永久運(yùn)行期間的可靠性?？傮w上，如今的開(kāi)關(guān)電源可以說(shuō)在開(kāi)關(guān)技術(shù)方面已實(shí)現(xiàn)最小化，任何進(jìn)一步的體積減小只能通過(guò)散熱片或額外的空氣冷卻來(lái)實(shí)現(xiàn)。但額外的冷卻會(huì)增加成本，特別是空氣冷卻會(huì)產(chǎn)生噪音并可能帶來(lái)污染，因此，這種方法有待商榷。

　　能效等級(jí)對(duì)開(kāi)關(guān)電源尺寸的影響

　　如上所述，通過(guò)提高切換頻率來(lái)進(jìn)一步縮小開(kāi)關(guān)電源尺寸的方法已經(jīng)寥寥無(wú)幾。而通過(guò)努力提高能效等級(jí)，降低自發(fā)熱水平來(lái)增加傳輸功率則是目前更有希望的方法。20 世紀(jì) 80 年代，也就是開(kāi)關(guān)電源面市初期，工業(yè)用開(kāi)關(guān)電源的能效水平為 70% 左右，到了 90 年代，這一水平顯著增加至 80% 以上。近十年來(lái)，開(kāi)關(guān)電源的能效達(dá)到 90% 已成為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

　　從 2005 年開(kāi)始使用的開(kāi)放式框架 AC/DC 電源100 瓦 (101x51mm)

　　進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)電源能效等級(jí)的方法

　　目前，用于開(kāi)關(guān)電源的變電裝置主要通過(guò)諧振開(kāi)關(guān) FET 提供輸入電壓。這些組件價(jià)格低廉，由于在零電壓或零電流點(diǎn)接通或關(guān)斷，它們的損耗率也非常低，因而非常適合 800 瓦左右電源的需要。如今，100 瓦以上開(kāi)關(guān)電源的輸入端經(jīng)常使用升壓轉(zhuǎn)換器，其功率因數(shù)(超過(guò) 95%)明顯高于僅使用整流器時(shí)的功率因數(shù)。此電路組件中必須集成附加電感。為使其保持盡量小的體積，不能簡(jiǎn)單地在無(wú)電流或無(wú)電壓狀態(tài)下接通或關(guān)斷關(guān)聯(lián)的高頻斷路器。對(duì)于這種情形，使用創(chuàng)新的極速切換半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)斷路器便非常適合。尤其是，這種開(kāi)關(guān)元件使用了基于砷化鎵 (GaAs) 或碳化硅 (SiC) 材料的半導(dǎo)體。這些開(kāi)關(guān)元件的傳輸頻率大約是傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體的十倍。這與接通和關(guān)斷時(shí)的傳輸過(guò)程(切換過(guò)程)顯著加快有關(guān)。與硅 MOSFETS 相比，這些開(kāi)關(guān)元件仍然非常昂貴，但它們的價(jià)格正在下降，這對(duì)開(kāi)關(guān)電源的價(jià)格和性能的進(jìn)一步發(fā)展有顯著影響。

　　當(dāng)前開(kāi)關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　為了確保開(kāi)關(guān)電源的輸入端能夠獲得符合允許限值的高功率因數(shù)，性能在 100 瓦以上的現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源通常采用兩級(jí)設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生預(yù)先調(diào)節(jié)的直流電，它采用調(diào)節(jié)方式可使該轉(zhuǎn)換器的輸入電流接近正弦。第二個(gè)轉(zhuǎn)換器通常設(shè)計(jì)為諧振轉(zhuǎn)換器，它將電壓轉(zhuǎn)換到較低的水平，并將輸入電壓與輸出電壓分離。進(jìn)一步的發(fā)展開(kāi)關(guān)電源將不斷縮小至更合適的尺寸，功率密度也將不斷增加，盡管無(wú)法再現(xiàn)過(guò)去 10 至 20 年間的發(fā)展速度。

　　與過(guò)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，釋放的難度也將越來(lái)越大。

　　從 2015 年開(kāi)始使用的開(kāi)放式框架 AC/DC 開(kāi)關(guān)電源100 瓦 (76x51mm)