多个技术领域，包括电气化交通、可再生能源和智能电网，广泛使用电源电子转换器。这些领域的快速发展对电源转换器的性能提出了挑战，迫使我们需要设计更小、更轻、更高效的转换器。为了实现这些目标，研究人员首先优化各种因素，以提升转换器的性能。

　　电源转换器性能挑战

　　选择最佳的半导体芯片、确保最佳的电路布局、设计散热结构等都是必不可少的。此外，制造技术也至关重要。快速原型制作作为验证设计的基础，选择合适的制造工艺可以确保设计方案能够迅速且成功地实施。此外，先进制造技术也影响着产品的配置。

　　自动化制造技术的优缺点

　　在过去十年中，研发了先进的组装和制造技术用于电源电子设备的生产，包括增材制造(AM)、自动送料、焊接和包装。利用这些先进方法为制造具有复杂结构和小尺寸的电源电子组件开辟了新机遇。

　　优势

　　增材制造技术使得制造具有复杂内部结构和更高性能的电源电路变得更加简单。由于其易于制造、结构设计灵活以及与传统制造技术(如模具铸造、冲压和机械加工)相比快速原型制作时间短，增材制造在电源转换器中引起了广泛关注。这种方法在过去几年中逐渐被采用用于生产各种电源组件和转换器。

　　这一技术的优势包括新型可打印材料的可用性、提高的打印精度和降低的成本。例如，2014年初，橡树岭国家实验室(ORNL)的研究人员开发了一种配有3D打印散热器的电源逆变器。通过增材制造技术，可以探索更复杂的形状，减少浪费，提高热传导效率，从而实现更小的封装。

　　增材制造还以其他方式增强了电源电子技术。例如，增材制造允许更自由地优化绕组几何形状，例如具有不同截面轮廓的绕组，以减少特定工作模式下的功率损失，而传统的线绕法则在绕组截面形状上受到限制。通过精确再现预期的绕组结构和寄生电容，它对组件的自谐振频率和工作带宽有着精确的控制。

　　缺点

　　尽管增材制造具有上述优势，但与传统技术相比，它也存在一些缺点。主要问题是传统处理在材料特性上优于增材制造。例如，国际退火铜标准(IACS)发现，3D打印的PCB导电性仅为铜的5%到30%。由于设备必须始终在高电流和高功率条件下运行，这限制了增材制造的应用。

　　电源转换器中的自主和自动化组装

　　PCB组装是当前工业中最关键的自主和自动化组装及制造技术。

　　图1展示了一种典型的双层PCB组装过程。制造商可以根据其生产线每个操作的数量、复杂性和所需时间选择多种手动或自动方法。

　　通常使用拾放机或收集放置设备来组装表面贴装器件(SMDs)。表面贴装技术(SMT)就是指这一自动化过程。SMDs的封装尺寸较小，但性能与通孔(TH)组件相同，且其封装设计使其适合自动化制造。由于SMD的体积较小，手动组装更为困难，因此自动组装在SMDs中更具竞争力。

　　理论上，如果产品中仅使用SMDs，则可以完全实现自动化。然而，TH器件通常被纳入电源转换器的设计中，其自动组装有时较为复杂。图2展示了电源转换器中使用的TH器件的主要组件，包括轴向引线电阻、电容器和电感器，以及通孔离散器件，例如mosfet和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

　　根据将要组装的组件类型，可以使用不同的机器进行自动化TH组装。图3描述了自动组装的最初阶段，主要关注轴向引线组件插入过程。随着TH技术的进一步发展，各种TH部件也可以自动插入孔中。如果在自动化TH插入过程中引线直径与孔径非常相似，可能会增加插入过程的故障率。

　　因此，制造商会选择适合其生产的方法。

　　在特定情况下，例如考虑引线与孔之间的尺寸差异、避免不当插入的部件或使用SMDs替代轴向TH元件，电源转换器制造的完全自动化是可行的。

　　焊接业

　　TH组件通常通过波焊焊接。在波焊过程中，为保护SMDs，采用焊接托盘，避免直接接触熔融焊锡，如图1所示。这种方法对高产量的产品非常有利。然而，由于小规模生产，设计和制造SMD保护夹具的成本高，显得不够理想。为了克服这一问题，通常使用胶水喷涂设备，通过在波焊中将粘合点放置在PCB上，以保持SMDs的固定，因为胶水的熔点高于焊锡。

　　除了为替代丝网印刷而开发的一些独立喷涂设备外，一些自动粘合剂喷涂机已经集成到拾放设备中，可以在不需要焊接掩膜的情况下，将粘合剂和焊锡膏直接沉积在PCB上。另一方面，粘合在PCB上的设备难以维修，因为它们不能简单地移除。其他补偿程序可能用于解决此问题。

　　例如，选择性焊接方法可以替代波焊，使每个TH引脚都能够单独连接，使用微波焊接。通过这种方式，在随后的波焊操作中不再需要胶水来固定SMDs。机器人手臂也可以提供更自动化和智能化的PCB组装。例如，焊接机器人通常用于自动焊接每个TH组件的引脚。根据其加热方式，焊接机器人主要有两种类型。

　　第一种是激光焊接，可以在焊接点融化焊锡线。第二种是尖端焊接，其中电动臂利用电烙铁在引脚位置融化焊锡线。这两种焊接技术在图4中展示。激光束加热引线和焊锡而不需要焊接铁，且焊铁尖端与焊接引脚附近的组件之间的任何接触，都有助于减少相邻组件的干扰，从而实现更小的焊接接头。

　　日本Unix公司通过将组件插入机器人和激光焊接机器人集成到一个设备中，创建了一个集成焊接系统。图5展示了物理产品图像和两个机器人臂的示意图。下方的机器人用于拾取部件。在视觉摄像头测量了质量和引脚位置后，组件被放置到所需位置。上方的机器人随后完成焊接过程。

　　激光焊接可以在大约一秒钟内焊接一个引脚。这种方法可以应用于各种PCB组装，因为这两个机器人焊接TH组件的方式就像两只人手。设备提供了多种焊接头和线材，适用于不同场合，例如超细线用于微焊接，使得设备能够满足PCB设计规格的准确性和组件密度要求。

　　当电源转换器中使用大量TH组件时，这种PCB组装方法的时间比波焊要长得多。然而，随着SMT的不断改进，TH组件的使用正在减少，从而允许更广泛的应用。此外，波焊和丝网印刷等工序总是会产生不必要的废物。利用新技术可以减少有害废物的排放，改善环境。

　　电源转换器性能挑战的总结

　　由于自动化的持续发展，生产小批量产品变得更加容易。在工业制造中，小批量通常被定义为100到1000个单位。即使是具有多个SMD组件的产品，十个单位也更适合自动化制造。在发明自动TH技术之前，即使有1000个TH电容器和电感器，手动插入仍然是首选。

　　随着新设备的开发，自动化正日益向中小企业开放，这不仅是大型工业制造的特殊优势。此外，最近开发的设备在处理不同组件几何形状和电路板配置时提供了更多的灵活性。因此，未来将会有一种简单、快速、自动化和灵活的电源转换器制造方法。

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