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当今电源产业及电源技术的发展趋势
 
慧聪网   2005年8月23日9时53分   信息来源:网博电源网    

    电力电子技术的发展带动了电源技术的发展,而电源技术的发展有效地促进了电源产业的发展。迄今为止电源制造业已成为非常重要的基础产业,并广泛应用于各个部门,其发展趋势为:继续朝高频、高效、高密度化、低压、大电流化和多元化发展。而封装结构、外形尺寸日趋国际标准化,以适应全球一体化市场的要求,进而使电源产业进入国际市场。

    电力电子技术已发展成为一门完整的、自成体系的高科技科学,而电源技术又属于电力电子技术的范畴。电源技术的主要用途之一是为信息产业服务。信息技术(IT)的发展对电源技术又提出了更高的要求,从而促进了电源技术的发展,两者相辅相成才有了现今蓬勃发展的信息产业和电源产业。从日常生活到最尖端的科学都离不开电源技术的参与和支持,而电源技术和产业对提高一个国家劳动生产率的水平,即提高一个国家单位能耗的产出水平,具有举足轻重的作用。而在这个方面我国与世界先进国家的差距很大,作为一个电源工作者,应该不仅只局限于完成当前的本职工作,还必须通过各种信息渠道及时搜索和掌握电源技术最新发展方向与电源相关的元器件、原材料的最新发展动态,及时吸取国内外先进的薄膜工艺、厚膜工艺、集成化工艺等等,只有这样才能设计出世界上一流的电源产品。

1  急速向多元化技术发展

    电源是实现电能变换和功率传递的主要设备,是一种技术含量高、知识面宽,更新换代快的产品。此产品现今已广泛应用到农业、能源、交通、运输、信息、航空、航天、航运、国防、教育、文化等领域。在当前信息时代,上述各行各业都在迅猛异常地发展,发展的同时又对电源产业提出了更多更高的要求。如节能、节电、节材、缩体、减重、防止污染、改善环境、可靠、安全等。这就迫使电源工作者在电源研发过程中不断探索,寻求各种相关技术,做出合格电源产品,以满足各行各业的要求,从而又无形地带动了相关技术的高速发展。而正由于这些技术的高速发展又推动了电源产业的发展。当前电源产业占主导地位的产品门类有:各种线性类稳压电源;通信用AC-DC开关电源;DC-DC开关电源;交流变频调速电源;电解电镀电源;高频逆变式整流焊接电源;中频感应加热电源;电力操作电源;正弦波逆变电源;大功率高频高压直流稳压电源;绿色照明电源;化学电源;UPS电源;可靠高效低污染的光伏逆变电源;风光互补型电源等。而与电源相关的技术有:高频变换技术;功率转换技术;数字化控制技术;全谐振高频软开关变换技术;同步整流技术;高度智能化技术;诸多的电磁兼容相关技术;各种形式的功率因数校正技术;各种保护技术;并联均流控制技术;脉宽调制技术;各种变频调速技术;各种智能监测技术;各种智能化充电技术;微机控制技术;各种集成化技术;网络技术;各种形式的驱动技术和先进的工艺技术。

     2  性能价格比是赢得市场占有率的永恒主题

    产品价格、各种性能指标、品牌效应及使用寿命一直是广大用户最关心的问题。纵观国内外几家知名电源厂商及世界顶级电源供应商都面对同样的压力,价格之争、性能比拼、产品的精益求精以至艺术化、人性化都在时时地竞争着,特别是在当前信息时代,由于信息网络给客户带来网上定货采购的可能,使产品价格变得日趋公开,迫使每个电源供应商都在力求降低成本的一系列措施,尽量提高性价比,尽最大努力赢得市场占有率。

▼ 用户最关注的性能指标

    (1)电气性能指标

    除特种电源外,一般线性类和开关类电源均有数十项指标,但常提及的指标有:输出电压精度、电网调整率、负载调整率、温度系数、输出纹波及噪声、输入反射纹波电流、输入共模噪声电流、保护性能及效率等。上述指标必须用合格的测试设备标准的测试方法。

    (2)可靠性、安全性与质量

    质量是企业的生命线,纵观改革开放以来,我国企业的发展史,无不说明质量在企业的兴衰中起着举足轻重的作用,尤其在我国进入WTO后,电源设备必将进入国际市场,而这个市场已经是超越区域融贯全球的一体化市场,大家必须遵从国际贸易协定的共同准则,必须加快融入全球一体化的步伐。企业必须接受安全、质量体系等种种标准化规范的论证。当今的电源企业决不能把质量狭义地理解为企业的产品质量,而应广义地理解为企业的全面质量。因此企业应做到按照ISO9000标准进行质量认证,明确自己企业的质量目标和质量方针,对全员进行质量教育,把产品质量贯穿于设计和生产的全过程。生产出技术先进、质量保证的优质产品,供应国内外市场。切记,一定要做好产品的售后服务。另外一定要明确,产品的安全标志是中国生产商进入国际市场的重要通行证之一,所以加入WTO后,我国的电源生产商必须增加对国际UL认证的了解和认识,必须按照程序,按照标准,踏踏实实地做好这些工作,使自己的产品取得UL认证,融入国际市场,目前UL是全球最大的安全认定机构,按双方协议委托中国北京、上海、广州几家研究所和实验室进行此项工作。

 (3)关注EMC设计水平

电源设计人员应知道,电磁兼容是专门研究在有限空间、时间以及频谱资源条件下,各种电气、电子设备可以共存而不引起性能降低的专门学科。这门科学是伴随着无线电电子学中高频、特高频的应用的发展而发展起来的。电磁兼容其实质含义有:一方面是设备或系统产生的电磁骚扰,不应对周围设备造成不能承受的干扰,也不应对周围环境造成不能承受的“污染”;另一方面是设备或系统对来自周围环境中的电磁干扰应具有足够的抗御能力。要做到这些,相当困难,设计者必须通过学习和大量的实践,深刻认识电磁兼容的标准和产生干扰的途径等,采取有效措施,加大EMC设计。如:加电网滤波器,采取无源补偿新方案,有效地抑制传导干扰;加各种屏蔽措施,抑制辐射干扰;加RC吸收网络在电路的适当部位吸收开关尖峰,利用各种软开关技术,切实保证电源开关器件零电压下导通,零电流下关断,以减小过高的电流、电压梯度所带来的严重电磁干扰。合理设计印制板,合理的地线布局等都会减小电磁干扰,总之,当前电磁兼容技术发展很快,用户对电磁兼容的要求也会愈来愈高,值得电源供应商加倍注意。

    (4)齐全的保护功能

    目前电源中所使用的功率器件价格较贵,其控制电路也比较复杂,另外电源负载一般都是大量的集成化程度很高的器件,而这些器件一般耐受电、热、冲击能力较差。电源的保护应兼顾本身和负载的安全。目前保护的种类很多,如:极性保护、程序保护、过流保护、过压保护、欠压保护、过热保护,这些保护为一般常用的几种。由于当前电源的种类很多,用途也极为广泛,所以对保护的要求各有侧重,按要求而定。因为电源中加了保护电路后,势必增加器件,反过来又会影响系统的可靠性,为此要求保护电路本身的可靠性一定要高,以提高整个系统的可靠性,进而提高电源本身的MTBF,这就要求保护的逻辑严密,电路简单,元件最少,除此而外还要考虑所保护的电路本身出现故障的维修度,确保电源的正常工作和高可靠性。

    ▼  降低成本的主要途径

(1)采用先进的产品设计管理模式,尽力缩短产品研发周期。

(2)加强全员质量意识,把产品质量贯穿于设计和生产的全过程,力争产品一次合格率100%,确保合同履行率100%与顾客满意度100%。

(3)电源产品的性能以满足用户工作要求为宜,不必过分地追求高指标并合理地选择元器件、原材料,尽可能地降低成本。

(4)重视人才资源管理,走以人为本之路。不但要培养、尊重和爱护人才,还要合理的安排和使用,有效地发挥其作用,绝不浪费人才资源。

(5)以最大的信息量和信誉度加大市场占有率和资金回收率。

3   高频、高效、低压化、标准化是开关电源主要发展趋势

▼  在封装结构上正朝着薄型,甚至超薄型方向发展

    以前标准模块的高度是0.5英寸,最近这个高度已下降到0.375英寸,一般客户要求薄型封装尺寸为7.5mm(0.295英寸)、8.5mm(0.335英寸)和10mm(0.394英寸)。外形尺寸趋于国际标准化尺寸,多为1/8、1/4、1/2、3/4和全砖式结构,输出端子相互兼容的设计日趋明显。模块内部控制电路倾向于采用数字控制方式,非隔离式DC-DC变换器比隔离式增长速度快,分布式电源比集中式电源发展快。

▼ 低电压化

    半导体工艺等级在未来十年将从0.18微米向50纳米工艺迈进,芯片所需最低电压最终将变为0.6V,但输出电流将朝着大电流方向发展。据市场调查得知,随着半导体工艺的发展,半导体对各种电压的需求百分率走势为(见表1):

    表1  半导体器件工作电压要求的变化

   时间\电压值    5V      2.5V      1.5V      0.8~1V

   2005年         39%     35%       15%          2%

   2010年         21%     32%       30%         12%

    由表1可以看出,未来用户所需电源电压有下降的趋势,估计不久将来1V及1V以下的电源需求量将有明显增加,市场占有率会占一定比率。

 ▼  高效化

     应用各种软开关技术,包括无源无损软开关技术、有源软开关技术,如ZVS/ZCS谐振、准谐振;恒频零开关技术;零电压、零电流转换技术及目前同步整流用MOSFET代替整流二极管都能大大地提高模块在低输出电压时的效率,而效率的提高使得敞开式无散热器的电源模块有了实现的可能。这类模块是当今世界模块潮流,必将得到广泛应用。随着器件性能的改变,电源效率即将达到92%(5V)、90%(3.3V)、87.5%(2V)。

▼ 大电流、高密度化

    1991年高功率密度定义为每立方英寸输出功率为25W,以后逐年增加,1994年为每立方英寸36W、1999年为每立方英寸52W、2001年每立方英寸为96W。现在每立方英寸达数百瓦的程度。在全球范围内,高功率密度直流转换模块市场以每年16.8%的增长速度向前发展。输出电流将增长到半砖80A、1/4砖50A,目前日本TDK公司推出新一代分布式隔离型DC-DC转换器,其参数为1/4砖:输入电压42~58V、输出电压12V、输出电流27A、效率为95%,功率密度已达每立方英寸236W;1/8砖:输入电压42~58V、输出电压12V、输出电流13.5A、效率为95%,功率密度已达每立方英寸214W。

▼  高频化

    为了缩小开关电源的体积,提高电源的功率密度并改善其动态响应,小功率DC-DC变换器的开关频率已将现在的200~500kHz提高到1MHz以上,但高频化又会产生新的问题,如开关损耗以及无源元件的损耗增大,高频寄生参数以及高频电磁干扰增大等。

4   一流电源产品离不开先进的元器件及先进的工艺

▼  功率器件的发展是电源技术发展的基础

    功率MOSFET是目前最快速度的功率器件。目前较先进的水平为:电压可达1200V,电流可达60A,频率可达2MHz,导通电阻可达0.1Ω左右。提高器件耐压,同时减小其导通电阻仍是今后MOSFET的主要研究方向。

绝缘栅双极型晶体管IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的电力电子器件,它的控制极为绝缘栅控场效应晶体管,输出极为PNP双极功率晶体管,因而具有两者的优点,克服了两者的缺点。目前耐压可达6.5kV,电流可达1.2kA,今后的主攻方向仍是扩大容量,减小内阻,以减小导通损耗。这里提及的是,由于IGBT经常工作在高频、高压、大电流状态下,又由于电源作为系统的前级,易受电网波动、雷击影响,容易损坏;,故IGBT的可靠性直接影响电源的可靠性,所以在选择IGBT时,除作降额考虑外,对IGBT的保护设计也极为重要。

     IGCT是GTO的更新换代产品,它主要是通过分布集成门极驱动,浅层发射极等技术。器件的开关速度有一定提高,同时减少了门极驱动的功率,方便了应用,而IGCT的发展趋势仍然是高电压、大容量。

▼  变压器与磁性元件

随着电力电子技术的发展和成熟,人们逐渐认识到磁性元件不仅是电源中的功能元件,同时其体积、重量、损耗在整机中也占相当比例。据统计,磁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%,对于高频工作,模块化设计的电源,磁件体积、重量所占的比例还会更高。另外,磁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,就应对减小磁件体积、重量及损耗的相关技术进行深入研究,并立足于应用,以满足电源发展的需要。

    对于低、中频电源,建议采用R型变压器,其特点是:损耗低、体积小、无噪声、抗干扰能力强。目前发展状况是单相功率范围已扩展到1VA~100kVA,三相功率范围已扩展到315kVA。未来主攻的方向是设法克服应用中冲击电流比较大的缺点(即变压器次级开路,初级加额定电压时的瞬间,初级所形成的冲击电流)。

    对于高频变压器,主要用于各种形式的开关电源,频率为20~500kHz,功率可做到数十千瓦。所用材料主要是非晶、微晶、超微晶、软磁铁氧体材料,当变压器工作频率大于700kHz时,变压器中的涡流损耗急剧增加,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芯和德国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均为300kHz~1MHz,中心频率为500kHz。目前磁性材料最高工作频率可达1.5MHz,这就是我国研制的MnZn铁氧体TP5A材料。以上这些材料所制成的变压器有贴片变压器、印制焊接式变压器、变压器模块、各种形式的分体式变压器、插入式变压器,PCB平面变压器及多层线路板平面变压器。而平面多层变压器,目前已能提供功率从5W~25kW,频率为50kHz到2MHz的一系列PM产品,预计最近几年来电源变压器需求旺盛,已成为发展迅速的热门产品,而电子变压器未来发展的目标是轻量、高效、高密度化,电源变压器发展的目标是表面安装、高功率和高压化。

▼  磁集成技术的发展和应用

    所谓磁集成技术,就是将变换器中的两个或多个分立磁体绕制在一副磁芯中,从结构上集中在一起。集中后的磁件拟称为集成磁件,该技术通过一定的耦合方式,合理的参数设计,能有效地减小磁件的体积和损耗。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。另外磁集成技术可以减少连接端,从而有效地减小大电流场合端子的损耗。

    集成技术的发展历史已有70余年,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,功率因数校正变换,谐振变换器等场合,随着未来电源的发展,新型磁性材料和磁芯将不断涌现,势必对磁集成技术提出更高的要求,所以此技术今后的主攻方向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芯结构的磁集成技术,为电源缩体、减重做出贡献。

 
 
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