進入21世紀，開關(guān)電源技術(shù)將有更大的發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1.       高性能碳化硅（SiC）功率半導體器件

可以預見，碳化硅將是21世紀最可能成功應用的新型功率半導體器件材料，其優(yōu)點是：禁帶寬，工作溫度高（可達600°C），通態(tài)電阻小，導熱性能好，漏電流極小，PN結(jié)耐壓高等等。

2.       高頻磁技術(shù)

高頻開關(guān)變換器中用了多種磁元件，有許多基本問題要研究。

（1）隨著開關(guān)電源的高頻化，在低頻下可以忽略的某些寄生參數(shù)，在高頻下將對某些電路性能（如開關(guān)尖峰能量、噪聲水平等）產(chǎn)生重要影響。尤其是磁元件的渦流、漏電感、繞組交流電阻R_ac和分布電容等，在低頻和高頻下的表現(xiàn)有很大不同。高頻磁技術(shù)理論作為學科前沿問題，仍受到人們的廣泛重視，如：磁心損耗的數(shù)學建模，磁滯回線的仿真建模，高頻磁元件的計算機仿真建模和CAD、高頻變壓器一維和二維仿真模型等。有待研究的問題還有：高頻磁元件的設計決定了高效率開關(guān)電源的性能、損耗分布和波形等，人們希望給出設計準則、方法、磁參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)與電路性能的依賴關(guān)系，明確設計的自由度與約束條件等。

（2）對高頻磁性材料有如下要求：損耗小，散熱性能好，磁性能優(yōu)越。適用于兆赫級頻率的磁性材料為人們所關(guān)注，如5~6µm超薄鈷基非晶態(tài)磁帶，1MHz（B_m=0.1T）時，損耗僅為0.7~1W/cm³，是MnZn高頻鐵氧體的1/3~1/4。納米結(jié)晶軟磁薄膜也在研究。

（3）研究將鐵氧體或其他薄膜材料高密度集成在硅片上。或硅材料集成在鐵氧體上，是一種磁電混合集成技術(shù)。磁電混合集成還包括利用電感箔式繞組層間分布電容實現(xiàn)磁元件與電容混合集成等。

3. 新型電容器

研究開發(fā)適合于功率電源系統(tǒng)用的新型電容器和超級大電容。要求電容量大、等效電阻（ESR）小、體積小等。據(jù)報道，美國在20世紀90年代末，已開發(fā)出330µF新型固體鉭電容，其ESR有顯著下降。

4. 功率因數(shù)校正AC-DC開關(guān)變換技術(shù)

一般高功率因數(shù)AC-DC電源由兩級組成：在DC-DC變換器前加一級前置功率因數(shù)校正器，至少需要兩個主開關(guān)管和兩套控制驅(qū)動電路。這樣對于小功率開關(guān)電源說，總體效率低、成本高。

對輸入端功率因數(shù)要求不特別高的情況，用PFC和變換器組合電路構(gòu)成小功率AC-DC開關(guān)電源，只用一個主開關(guān)管，可使PF校正到0.8以上，稱為單管單級PF校正AC-DC變換器，簡稱為S⁴。例如一種隔離式S⁴PF校正AC/DC變換器，前置功率因數(shù)校正器用DCM運行的Boost變換器，后置電壓調(diào)節(jié)器主電路為反激變換器，按CCM或DCM運行；兩級電路合用一個主開關(guān)管。

5. 高頻開關(guān)電源的電磁兼容研究

高頻開關(guān)電源的電磁兼容問題有特殊性。通常，它涉及到開關(guān)過程產(chǎn)生的di/dt和dv/dt，引起強大的傳導型電磁干擾和諧波干擾。有些情況還會引起強電磁場輻射。不但嚴重污染周圍電磁環(huán)境，對附近的電氣設備造成電磁干擾，還可能危及附近操作人員的安全。同時，開關(guān)電源內(nèi)部的控制電路也必須能承受主電路及工業(yè)應用現(xiàn)場電磁噪聲的干擾。由于上述特殊性和測量上的具體困難，專門針對開關(guān)電源電磁兼容的研究工作，目前還處于起始階段。顯然，在電磁兼容領域，存在著許多交叉科學的前沿課題有待人們研究。如：典型電路與系統(tǒng)的近場、傳導干擾和輻射干擾建模；印制電路板和開關(guān)電源EMC優(yōu)化設計軟件；低中頻、超音頻及高頻強磁場對人體健康的影響；大功率開關(guān)電源EMC測量方法的研究等。

6. 開關(guān)電源的設計、測試技術(shù)

建模、仿真和CAD是一種新的、方便且節(jié)省的設計工具。為仿真開關(guān)電源，首先要進行仿真建模。仿真模型中應包括電力電子器件、變換器電路、數(shù)字和模擬控制電路，以及磁元件和磁場分布模型，電路分布參數(shù)模型等，還要考慮開關(guān)管的熱模型、可靠性模型和EMC建模。各種模型差別很大，因此建模的發(fā)展方向應當是：數(shù)字-模擬混合建模；混合層次建模；以及將各種模型組成一個統(tǒng)一的多層次模型（類似一個電路模型，有方塊圖等）；自動生成模型，使仿真軟件具有自動建模功能，以節(jié)約用戶時間。在此基礎上，可建立模型庫。

開關(guān)電源的CAD，包括主電路和控制電路設計、器件選擇、參數(shù)優(yōu)化、磁設計、熱設計、EMI設計和印刷電路板設計、可靠性預估、計算機輔助綜合和優(yōu)化設計等。用基于仿真的專家系統(tǒng)進行開關(guān)電源的CAD，可使所設計的系統(tǒng)性能最優(yōu)，減少設計制造費用，并能做可制造性分析，是21世紀仿真和CAD技術(shù)的發(fā)展方向之一�，F(xiàn)在國外已開發(fā)出設計DC-DC開關(guān)變換器的專家系統(tǒng)和仿真用MATSPICE軟件。

此外，開關(guān)電源的熱測試、EMI測試、可靠性測試等技術(shù)的開發(fā)、研究與應用也是應大力發(fā)展的。

7. 低電壓、大電流的開關(guān)電源開發(fā)

(1)低電壓、大電流的開關(guān)變換器的要求

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的速度和效率日益提高，新一代微處理器的邏輯電壓低達1.1~1.8V，而電流達50~100A，其供電電源——低電壓、大電流輸出DC-DC變換器模塊，又稱為電壓調(diào)整器模塊（VRM）。新一代微處理器對VRM的要求是：輸出電壓很低，輸出電流大，電流變化率高，響應快等。

①為降低IC的電場強度和功耗，必須降低微處理器供電電壓，因此VRM的輸出電壓要從傳統(tǒng)的3V左右降低到小于2V，甚至1V。

②運行時，電源輸入電流>100A，由于寄生L、C參數(shù)，電壓擾動大，應盡量減小L。

③微處理器起停頻繁，不斷從休眠狀態(tài)啟動，工作，再進入休眠狀態(tài)。因此要求VRM電流從0突變到50A，又突降到0，電流變化率達5A/ns。

④設計時應控制擾動電壓≤10%，允許輸出電壓變化±2%。

(2)采用波形交錯技術(shù)

線路的寄生阻抗、電容的ESR和ESL對VRM在負載變化過程中的電壓調(diào)整影響很大。必須研制高頻、高功率密度和快速的新型VRM�，F(xiàn)在已有多種拓撲問世，如：同步整流Buck變換器（用功率MOS管替代開關(guān)二極管）；為防止電流大幅度變化時由于高頻寄生參數(shù)引起輸出電壓擾動，有文獻介紹采用多輸入通道或稱多相DC-DC變換器，如圖1所示，應用波形交錯(Interleaving)技術(shù)，保證VRM輸出紋波小，改善輸出瞬態(tài)響應，并可減小輸出濾波電感和電容。

圖1  多輸入通道波形交錯同步整流Buck變換器

(3)電壓紋波與沖擊電壓問題

①電壓紋波與ESR。對于電壓在1V以下、電流在100A以上的負載，其負載電阻在10mΩ以下，低于濾波電容的內(nèi)部等效串聯(lián)電阻，會出現(xiàn)電壓紋波問題�，F(xiàn)在，假設可以通過升降壓或升壓型變換器實現(xiàn)這種電源，但流過電容的紋波電流在100A以上，效率小于50%。對此，降壓型變換器中含有串聯(lián)濾波電感，可抑制紋波電流。但是，負載電阻與ESR相當，紋波電流分別流過電容和負載，其動作模式和目前的濾波電路不同。

為探討紋波電壓動作模式，首先給出等效電路進行仿真。仿真中根據(jù)Crc的值，有四種動作模式的紋波電壓。電壓紋波值與rc/R的變化關(guān)系曲線，也有四種動作模式，C越大，紋波率就越小。為進一步降低低壓大電流輸出電壓紋波，即減小濾波電容ESR值，必須采取一定的方法和策略。

②負載突變引起的沖擊電壓。對于數(shù)字電路的負載，為快速響應各種模式的轉(zhuǎn)換，輸出電壓相應于負載變化的瞬態(tài)響應特性就顯得非常重要。此時，如果電流的變化率大，沖擊產(chǎn)生時間比開關(guān)周期T_s短，則很難期待由反饋而帶來的輸出電壓穩(wěn)定效果。目前技術(shù)還沒有辦法，正處于仿真研究階段。

(4)探尋省略濾波電容的可能性

如果因負載急變引起輸出電壓波動，波動持續(xù)時間超過開關(guān)周期的話，通過反饋可在一定程度上進行調(diào)整，LC濾波電路對此電壓調(diào)整效果起決定作用。為達到電壓調(diào)整目的，必須提高開關(guān)頻率，減小L和C值，讓截止頻率盡量向高域端延伸。有人考慮用兩個非對稱逆變器（帶變壓器）輸出雙相方波，每個逆變器的輸出電壓通過半波整流接向共同的負載，將截止頻率延伸至高域端。

開關(guān)頻率由MOSFET的開關(guān)時間所決定，為了提高開關(guān)效率，使超過其極限值，在實用中可采用多相開關(guān)方式等效提高開關(guān)頻率的方法。但是，相數(shù)也有限制。另外，變化的原因僅在于負載一側(cè)，讓截止頻率盡量低也非常有效。為達到此目的，使用電氣雙層電容濾波器可能是今后的發(fā)展方向。當然，為此必須考慮怎樣同時降低雙層電容器的等效串聯(lián)電阻和等效串聯(lián)電感。

(5)便攜式設備與燃料電池

對于手提電腦、手機、數(shù)碼相機等便攜式電器，電源是出問題最多的部分。便攜式設備的電源一直以來是傳統(tǒng)電池的天下，傳統(tǒng)電池在輕便與長時使用性方面，還不能充分滿足用戶的要求。為此，由固體高分子材料構(gòu)成的燃料電池最近引起了大家的關(guān)注。燃料電池是以甲醇為燃料，鉑為催化劑，其構(gòu)造為電極間夾電解質(zhì)膜，能量密度可做到鋰電池的10倍。100°C以下的工作溫度包括在常溫下可以發(fā)電，單節(jié)電壓大概為1~2V。本來用氫作燃料最理想，但從實用出發(fā)，用甲醇和鉑催化劑的組合較方便。不過其對于負載變化的跟隨性有問題，因此為保護電極，需要與電容組合使用。

燃料電池的優(yōu)點是維護方便，可長時間使用。電能不足時，僅補充燃料即可，不需要長時間充電。

以上就低壓、大電流開關(guān)電源為中心，對開關(guān)電源的未來技術(shù)發(fā)展方向進行了論述。按照摩爾定律，每18個月IC的集成度會增加2倍，因此很難斷定電壓會降低到何種程度為止。如果這種趨勢無限制的持續(xù)下去，可以預想對電源的要求會越來越高。要滿足這些要求，首先以開發(fā)新的半導體和電容為前提，另外從電路角度來建立元器件微細結(jié)構(gòu)模型也可能成為解決問題的關(guān)鍵點。因此，今后在各種層面上打破學科界線進行協(xié)同研究的必要性會越來越高。

8. 低電壓、大電流DC-DC變換器模塊

IEEE Spectrum報道，2005年數(shù)據(jù)處理器所用的大規(guī)模集成電路的晶體管密度將達到1億/cm²，時鐘頻率為1GHz，特征尺寸≤100nm，參見表1。

表1 超大規(guī)模集成電路十年發(fā)展前景預測

為適應下一代快速微處理器、可攜式通信設備、服務器等供電的需求，要開發(fā)大電流（50~100A）、低輸出電壓（小于1V）、電流變化率高（5A/ns）的VRM。研究新拓撲，應用高性能元器件，研究新結(jié)構(gòu)和封裝技術(shù)，使體積相當?shù)奈⑻幚砥骱团cVRM集成封裝。圖2所示為微處理器與VRM集成的一種設想。