1前言
开关电源是现代电子信息技术特别是电子计算机中最重要的组成部分之一，并日益显出它的重要作用，尤其在当前节能环保技术中的优势更为突出。在开关电源的组成构件中，磁性元器件及其相关技术则是不可缺少的基本部分。为适应开关电源技术向高频化、高效率、小型化、抗干扰高可靠和模块化的发展需求，新型高频磁性元器件与磁集成技术直接推动着开关电源新技术的开发进程。本文则以此为线索，试图阐述一下开关电源与其相关的磁性技术方面的情况供参考。
2开关电源技术的新近发展
随着科学技术高度综合性大趋势的发展，在上世纪的九十年代，世界电子信息形成了以数字化技术同通讯技术和消费类电子产品技术相融合即以多媒体技术产品为核心的巨大市场。在电力电子领域，新技术新产品更是层出不穷。这都为开关电源的应用开辟了更广阔的市场。
开关电源因其小、轻、高效与节能而在现代电子信息、电力电子技术等行业获得了广泛应用。随着电子信息、电力电子设备和整机系统向小型化、高性能、多功能等方向发展，低电压、大电流转换器的高效化及响应速度的高速化成为当前的热门课题。其中抗EMI与噪声抑制、小型化则是人们关注的重点，转换效率和待机功耗又成为焦点，因此开关电源的低功耗、小型化和低噪声则是今后大家共同追求的三大目标。
另从开关电源发展历程来看，已经历了功率半导体器件技术、高频化和软开关技术、系统集成技术三个阶段，而系统集成则是当前的热点之一，采用先进的元器件及先进工艺又是确保开关电源高性能模块化的关键措施之一。具体说来，开关电源技术正朝着以下方向发展：
2.1小、薄、轻型化
开关电源的微小型化无非是采取降低自身消耗、提高效率和提高开关频率两条途径，但归根结底仍是平衡损耗发热与设法散热的问题，降低损耗则是关键所在。提高开关频率又是最有效的措施，因此国外目前都在致力于同步开发新型高频高性能元器件，特别是降低整流管的损耗，开发小型化变压器、电容器、电感器等，并同时采用SMT技术在电路板两面布置组件以确保开关电源的轻、小、薄要求。
2.2高效率
为了使开关电源实现轻、小、薄型化要求，高频化（开关频率达兆赫级）是必然的发展趋势。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，噪声增加，达不到高频、高效的预期效果，因此实现零电压导通、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WICOR开关电源公司设计制造了多种ECZ型开关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6.2、10、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200－300kHz，功率密度为27W/cm3，用同步整流器（即用MOS－FER代替肖特基二级管）使整个电路效率提高到90%。
2.3高可靠
开关电源比线性电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。追求寿命的延长要从设计方面着眼，而不是从使用方面着想。美国一公司通过降低工作温度、减少器件的电应力、降低运行电流等措施使其DC/DC开关电源系列产品的可靠性大大提高，产品的MTBF高达100万小时心上。
无论是AC/DC或是DC/DC或是变换器都是朝模块化方向发展。其特点是：可以用电源模块组成分布式电源系统；可以设计成N+1冗余电源系统，从而提高可行性；可以做成插入式，实现热更换，从而在运行中出现故障时能高速更换模块插件；多台模块并联可作成大功率电源系统。此外，还可以在电源系统建成后，根据发展需要不断扩充容量。
2.4低噪声
开关电源的又一缺点是噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之增大，采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以低噪声。但谐振转换技术也有其难点，如很难准确地控制开关频率，谐振时增大了器件负荷，场效应管的寄生电容易引起其中的损耗，组件热应力转向开关管等问题难以解决。日本把变压器设计成初次级分离阻燃密封，自身具备对噪声功能抑制的无噪声隔离变压器，既节省了噪声滤波器，又减少了噪声。
2.5抗电磁干扰（EMI）
当开关电源在高频下开关时，其噪声通过电源线产生对其它电子设备的干扰，世界上已有抗EMI的开关电源出售。
3开关电源中的高新磁性技术
在开关电源的新技术中，功率半导体器件的性能、开关电源的功率密度、高频磁性与同步整流技术、分布电源结构、PFC变换器、电压调节模块（VRM）、全数字化控制、电磁兼容性、设计与测试技术和系统集成是人们关注的重点。下面简要介绍开关电源中的一些高新磁性新技术。
3.1磁性材料低损耗技术
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。能使输入端和输出端绝缘并兼有电压转换功能的开关晶体管、平滑用的电容器和储能用电感器是构成开关电源的基本元器件。电源的处理对象是电能，发热则是关键所在。开关频率提高了，变压器、电容与电感器的尺寸都能缩小，而在实际中效率的提高则是第一位的。因为尺寸小了，损耗仍然很大，局部就成为发热源导致剧烈温升，引起电源性能降低。引起损耗的主要部分是开关晶体管、二极管、变压器和电感器。晶体管的开关损耗可采用谐振电路或电感转换等措施大幅降低，而磁性元器件都包含一定的损耗。因此掌握磁性元器件损耗技术，可以说也把握住了提高开关频率又降低尺寸而实现小型化的关键。
众所周知，电源系统中应用了大量的磁性元器件，而开关电源小型化的关键是提高开关频率。高频磁性元器件的材料、结构和性能都不同于工频下的状况，有许多问题需要解决。用作高频磁性元器件的磁性材料必须是损耗小、散热性能好、磁性能优越。在实践中，人们逐渐认识到磁性组件不仅是电源中的功能组件，同时其体积、重量、损耗在整机中也占相当比例。据统计，磁性组件的重量一般是变换器总重量的30％～40％，体积占总体积的20％～30％，对于模块化设计的高频电源，磁性组件的体积、重量所占的比例还会更高。另外，磁性组件还是影响电源输出动态性能和输出纹波的一个重要因素。因此，要提高电源的功率密度、效率和输出品质，就应对减小磁性组件的体积、重量及损耗的相关技术进行深入研究，以满足电源发展的需要。
对于高频变压器而言，主要用于各种形式的开关电源，频率为20kHz～500kHz及其以上，功率做到数十kW，所用材料主要是软磁铁氧体材料、非晶、微晶、超微晶等。当变压器工作频率大于700kHz时，变压器中的涡流损耗将急剧增加，约占总损耗的80％，为减小其损耗，必须在功率铁氧体材料中加纳米添加剂，从而出现了用纳米晶软磁合金和纳米晶磁材制成的各种变压器。当前比较好的有日本TDK公司、FDK公司所提供的高频磁心和德国VAC公司所推出的超微晶磁材，这种磁材具有非常高的初始导磁率，一般高达几万，而材料所使用的频率为300kHz～1MHz，中心频率为500kHz。表1为开关电源中所应用的各种磁性器件。
在这些器件中，主要是变压器和电感器，它们的损耗为铁损和铜损。高频中的铁损几乎都是伴随磁性翻转产生的涡流损耗，它与磁心材料性质和励磁条件有很大的关系。开关电源的变压器和电感器用磁性材料中，目前主要是以MnZn功率铁氧体为主。
对功率铁氧体材料要求是：（1）高饱和磁通密度（BS）和高初始磁导率（μa）以提高功率转换效率并避免饱和；（2）尽量低的功率损耗（Pc），并希望呈负温度系数，以避免变压器在高频下发热；（3）为了在高温下保持所需要的BS值，材料的居里温度（Tc）应当比较高。随着高频开关电源的工作频率发展到0.5～2MHz，相应功率铁氧体材料也商品化。目前，世界上具有代表性的产品是日本TDK公司的电源用PC系列材料（表2）。
图1是PC44、PC45、PC46磁心损耗的相对温度特性。
TDK公司为了在缔造新一代节能型汽车中开拓新的市场，近期推出的PC95系列高密度铁氧体材料，满足了在-40～125℃的宽温度下确保稳定性能的汽车组件的要求，独自开发了用于宽温度范围的低磁心损耗新材料。
3.2磁集成技术
满足高可靠、低损耗要求的电源系统，除了选择优良的元器件、组件外，集成化也是一个有效途径。所谓电源系统的集成是先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，减少了引线长度，进而减小了寄生参数（单片集成）。然后经过混合集成，再进一步实现一体化，将所有元器件与控制保护都集成在一个模块中（系统集成），这就是电源集成的三种方式棗单片集成、混合集成和系统集成。其中无源元器件集成例如磁集成技术则是一项重要的技术。所谓磁集成技术，就是将变换器中的两个或多个分立磁件绕制在一副磁心中，从结构上集中在一起。集中后的磁件拟称为集成磁件，通过一定的耦合方式，合理的参数设计，能有效地减小磁体的体积和损耗。在一定应用场合，还可以减小电源输出纹波，提高电源输出的动态性能。另外，磁集成技术明显能减小连接端口，可有效地减少大电流场合端子的损耗。
 众所周知， 电源装置中往往包含变压器、电感等磁性组件，不仅体积大，而且形状不规则，给结构设计带来很多不便。采用磁集成技术可以将多个磁性组件集成为一个磁集成组件，不仅减小了体积，而且便于结构设计。进一步还可以将电路中部分电容器与磁性组件集成在一起，构成无源集成模块，进一步减小体积。图2是一种用于开关电源的磁集成模块的组成结构，而图3是该模块的实例。
目前已能实现电感与电感集成，电感与变压器集成，并广泛地应用于电压调整模块、功率因数校正、谐振变换器等场合，随着未来电源的发展，新型磁性材料和磁心将不断涌现，势必对磁集成技术提出更高要求，所以，此技术今后的主攻方向仍然是进一步拓宽磁集成技术的应用领域，扩大应用场合，不断研究适用于新的磁性材料与磁心结构的磁集成技术，为电源缩体，减轻重量做出新的贡献。
4结束语
开关电源在现代电子信息、电力电子技术中占有重要地位，应用范围越来越广。高新磁性元器件与技术应用推动着开关电源的不断发展。高频磁性与磁集成技术则是开关电源实现轻、薄、小，高性能的一个有效途径。
主要参考文献
[1]蔡宣三，中国电子报，2004，11，19，11版
[2]电工技术，磁性行业简报，No.4，1997，4，3
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[4] www.china-power.net
[5]世界电子元器件，2004-04，TDK。
[6]www.tdk.com.hk