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      當今世界電源產業以及電源技術的發展趨勢

      引言

             電力電子技術已發展成為一門完整的、自成體系的高科技技術,電源技術屬于電力電子技術的范疇。電源技術主要是為信息產業服務的,信息技術的發展又對電源技術提出了更高的要求,從而促進了電源技術的發展,兩者相輔相成才有了現今蓬勃發展的信息產業和電源產業。從日常生活到最尖端的科學都離不開電源技術的參與和支持,而電源技術和產業對提高一個國家勞動生產率的水平,即提高一個國家單位能耗的產出水平,具有舉足輕重的作用。在這方面我國與世界先進國家的差距很大,作為一個電源工作者,不僅應該完成當前的本職工作,還必須通過各種信息渠道及時掌握電源技術最新發展方向與相關的元器件、原材料的最新發展動態,國內外先進的薄膜工藝、厚膜工藝、集成化工藝等。只有這樣才能設計出世界一流的電源產品。為此,就當前電源產業及技術的發展趨勢談一些個人的看法,供同行參考、討論。

          1、急速向多元化技術發展

          電源設備用以實現電能變換和功率傳遞,是一種技術含量高、知識面寬、更新換代快的產品,F今已廣泛應用到工業、能源、交通、運輸、信息、航空、航天、航運、國防、教育、文化等領域。在信息時代,上述各行各業都在迅猛地發展,發展的同時又對電源產業提出了更多更高的要求。如節能、節電、節材、縮體、減重、防止污染,改善環境、可靠、安全等。這就迫使電源工作者在電源研發過程中不斷探索,并利用各種相關技術,做出合格電源產品,以滿足各行各業的需求。顯然,電源技術的發展將帶動相關技術的發展,而相關技術的發展反過來又推動了電源產業的發展。當前在電源產業,占主導地位的產品有各種線性穩壓電源、通訊用的 AC/DC開關電源、DC/DC開關電源、交流變頻調速電源、電解電鍍電源、高頻逆變式整流焊接電源、中頻感應加熱電源、電力操作電源、正弦波逆變電源、大功率高頻高壓直流穩壓電源、綠色照明電源、化學電源、UPS、可靠高效低污染的光伏逆變電源、風光互補型電源等。而與電源相關的技術有高頻變換技術、功率轉換技術、數字化控制技術、全諧振高頻軟開關變換技術、同步整流技術、高度智能化技術、電磁兼容技術、功率因數校正技術、保護技術、并聯均流控制技術、脈寬調制技術、變頻調速技術、智能監測技術、智能化充電技術、微機控制技術、集成化技術、網絡技術、各種形式的驅動技術和先進的工藝技術。

          2、性能/價格比是贏得市場占有率的永恒主題

          產品價格、性能指標、品牌效應及使用壽命一直是用戶最關心的問題?v觀國內外幾家知名電源廠商及世界頂級電源供應商都面對同樣的壓力,即價格之爭、性能拼比、產品的精益求精以至藝術化競爭,特別是在信息時代,由于信息網絡給用戶帶來網上定貨采購的可能,這使產品價格變得日趨公開,迫使每個電源供應商苦思冥想尋求降低成本的一系列措施,盡量提高性價比,以贏得市場占有率。

          用戶最關注的性能指標

          (1) 電氣性能指標

          除特種電源外,一般線性和開關電源均有數十項指標,但最常提及的指標有輸出電壓精度、電網調整率、負載調整率、溫度系數、輸出紋波及噪聲、輸入反射紋波電流、輸入共模噪聲電流、保護性能及效率等。上述指標必須用合格的測試設備與標準的測試方法,經測試合格后交給用戶。需要指出的是,各項性能指標以滿足用戶要求為宜,不必過分追求高指標而無形地增大電源的體積、重量和成本。

          (2) 可靠性、安全性與質量

          質量是企業的生命線,縱觀改革開放以來,我國企業的發展史,無不說明質量在企業的興衰中起著舉足輕重的作用,尤其在我國加入WTO后,電源設備必將進入國際市場,大家必須遵從國際貿易協定的共同準則,必須加快融入全球一體化的步伐。企業必須接受安全、質量體系等種種標準化規范的認證。當今的電源企業決不能把質量狹義地理解為企業的產品質量,而應廣義地理解為企業的全面質量。因此,企業應按ISO9000標準進行質量認證,明確自己企業的質量目標和質量方針,對全員進行質量教育,把產品質量貫穿于設計、生產和用戶服務的全過程,生產出技術先進、質量保證的優質產品,供應國內外市場。

          (3) 關注EMC設計水平

          電磁兼容是研究在有限空間、時間以及頻譜資源條件下,各種電氣、電子設備可以共存,并不引起性能降低的專門學科。它是伴隨著無線電電子學中高頻、特高頻應用的發展而發展起來的。電磁兼容其實質含義是,一方面設備或系統產生的電磁騷擾,不應對周圍設備造成不能承受的干擾,也不應對周圍環境造成不能承受的污染;另一方面設備或系統對來自周圍環境中的電磁干擾應具有足夠的抗御能力。要做到這些,相當困難,設計者必須通過學習和大量的實踐,深刻認識電磁兼容的真正含義和產生干擾的途徑,采取有效措施進行EMC設計。如:加電網濾波器,采取無源補償方案,以有效地抑制傳導干擾;加各種屏蔽措施,以抑制輻射干擾;加 RC吸收網絡于電路的適當部位以吸收開關尖峰;利用各種軟開關技術,保證開關器件在零電壓下導通,零電流下關斷,以減小過高的電流、電壓梯度所帶來的嚴重電磁干擾;合理設計印制板,合理的地線布局等都會減小電磁干擾?傊,電磁兼容技術發展很快,用戶對電磁兼容的要求也會愈來愈高,值得電源供應商倍加注意。

          (4) 齊全的保護功能

          目前,電源中所使用的功率器件價格較貴,其控制電路也比較復雜,另外,電源的負載中一般都含有大量的集成化程度很高的器件,這些器件一般耐受電、熱、沖擊能力都較差,因此,電源的保護應兼顧本身和負載的安全。目前保護的種類很多,如:極性保護、程序保護、過流保護、過壓保護、欠壓保護、過熱保護等。由于電源的種類很多,用途各異,所以,對保護的要求也各有側重,具體保護的設置應按具體要求而定。電源中加了保護電路后,勢必增加元器件,反過來又會影響系統的可靠性,為此要求保護電路本身的可靠性一定要高,以提高整個系統的可靠性,進而提高電源本身的MTBF,這就要求保護的邏輯嚴密,電路簡單,元器件最少,除此而外還要考慮所保護電路本身出現故障的維修度,確保電源的正常工作和高可靠性。2.2降低成本的主要途徑

          降低成本的主要途徑如下:

      • 采用先進的產品設計管理模式,盡力縮短產品研發周期;
      • 加強全員質量意識,把產品質量貫穿于設計和生產的全過程,力爭產品一次合格率100%,確保合同履行率100%與顧客滿意度100%;
      • 電源產品的性能以滿足用戶為宜,不須過分地追求高指標并合理地選擇元器件、原材料,盡可能地降低成本;
      • 重視人才資源管理,走以人為本的路子,不但要培養、尊重和愛護人才,還要合理地安排和使用,有效地發揮其作用,絕不浪費人才資源;
      • 以最大的信息量和信譽度加大市場占有率和資金回收率。 

          3、高頻、高效、低壓大電流化、標準化是開關電源的發展趨勢

          3.1 在封裝結構上正朝著薄型和超薄型方向發展

          以前標準?斓母叨仁12.7mm(0.5英寸),最近已下降到9.53mm(0.375英寸),一般客戶要求薄型封裝尺寸為7.5mm(0.295英寸),8.5mm(0.335英寸),10mm(0.394英寸)。外形尺寸趨于國際標準化尺寸,多為1/8、1/4、1/2、3/4和全磚式結構,輸出端子相互兼容的設計日趨明顯。模塊內部控制電路傾向于采用數字控制方式,非隔離式DC/DC變換器比隔離式增長速度快,分布式電源比集中式電源發展快。

      3.2 低電壓大電流化

          隨著半導體工藝等級未來十年將從0.18μm向50nm邁進,芯片所需最低電壓最終將變為0.6V,但輸出電流將朝著大電流方向發展。據市場調查,隨著半導體工藝的發展,電源對各種電壓的需求百分率走勢如表1所列。

      表1 電源對各種電壓的需求

          由表1可以看出未來用戶所需電源電壓有下降趨勢,估計不久將來1V及1V以下的電源需求量將會有明顯增加。

          3.3 高效化

          應用各種軟開關技術,包括無源無損軟開關技術、有源軟開關技術(如ZVS/ZCS諧振、準諧振)、恒頻零開關技術、零電壓、零電流轉換技術及目前同步整流用MOSFET代替整流二極管都能大大地提高模塊在低輸出電壓時的效率,而效率的提高使得敞開式無散熱器的電源模塊有了實現的可能。這類模塊是當今世界模塊發展的潮流,必將得到廣泛應用。隨著器件性能的改變,電源效率即將達到92%(5V)、90%(3.3V)、87.5%(2V)。

          3.4 大電流和高密度化

          1991年高功率密度定義為每立方英寸輸出功率25W,以后逐年增加,1994年為每立方英寸36W,1999年為每立方英寸52W,到2001年為每立方英寸96W,現在每立方英寸達數百W。在全球范圍內高功率密度直流轉換模塊市場以每年16.8%的增長速度向前發展。輸出電流將增長到半磚80A、 1/4磚50A。目前,日本TDK公司推出新一代分布式隔離型DC/DC轉換器,其參數為1/4磚輸入電壓42V~58V、輸出電壓12V、輸出電流 27A、效率為95%,功率密度已達每立方英寸236W;1/8磚輸入電壓42V~58V、輸出電壓12V、輸出電流13.5A、效率為95%,功率密度已達每立方英寸214W。

          3.5 高頻化

          為了縮小開關電源的體積,提高電源的功率密度并改善動態響應,小功率DC/DC變換器的開關頻率已由現在的200kHz~500kHz提高到1MHz以上,但高頻化又會產生新的問題,如開關損耗以及無源元件的損耗增大,高頻寄生參數的影響以及高頻電磁干擾增大等。

          4、一流電源產品離不開先進的元器件及先進的工藝

          4.1 功率器件的發展是電源技術發展的基礎

          功率MOSFET是目前最快速度的功率器件。目前較先進的水平電壓可達1200V,電流可達60A,頻率可達2MHz,導通電阻可達0.1Ω左右。提高器件耐壓,同時減小其導通電阻仍是今后MOSFET的主要研究方向。

          絕緣柵雙極型晶體管IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復合而成的電力電子器件,它的控制極為絕緣柵控場效應晶體管,輸出極為PNP雙極功率晶體管,因而具有兩者的優點,而克服了兩者的缺點。目前耐壓可達6.5kV,電流可達1.2kA,今后的主攻方向仍是擴大容量,減小內阻,以減小導通損耗。由于 IGBT經常工作在高頻、高壓、大電流狀態下,又由于電源作為系統的前級,易受電網波動、雷擊影響,容易損壞,故IGBT的可靠性直接影響電源可靠性,所以,在選擇IGBT時,除作降額考慮外,對IGBT的保護設計也極為重要。

          IGCT是GTO的更新換代產品,它應用了分布集成門極驅動,淺層發射極等技術。器件的開關速度有一定提高,同時減少了門極驅動的功率,應用方便,IGCT的出路仍然是高電壓、大容量。

          4.2 變壓器與磁性元件

          隨著電力電子技術的發展和成熟,人們逐漸認識到磁性元件不僅是電源中的功能元件,同時其體積、重量、損耗在整機中也占相當比例。據統計,磁性元件的重量一般是變換器總重量的30%~40%,體積占總體積的20%~30%,對于模塊化設計的高頻電源,磁性元件的體積、重量所占的比例還會更高。另外,磁性元件還是影響電源輸出動態性能和輸出紋波的一個重要因素。因此,要提高電源的功率密度、效率和輸出品質,就應對減小磁性元件的體積、重量及損耗的相關技術進行深入研究,以滿足電源發展的需要。

          對于低、中頻電源的變壓器,建議采用R型變壓器,其特點是損耗低,體積小,無噪聲,抗干擾能力強。目前發展狀況是單相功率范圍已擴展到1VA~100kVA,三相功率范圍已擴展到315kVA。未來主攻的方向是設法克服應用中沖擊電流比較大的缺點。

          對于高頻變壓器,主要用于各種形式的開關電源,頻率為20kHz~500kHz,功率可做到數十kW,所用材料主要是非晶、微晶、超微晶、軟磁鐵氧體材料。當變壓器工作頻率大于700kHz時,變壓器中的渦流損耗將急劇增加,約占總損耗的80%,為減小其損耗,必須在功率鐵氧體材料中加納米添加劑,從而出現了用納米晶軟磁合金和納米晶磁材制成的各種變壓器。當前比較好的有日本TDK公司、FDK公司所提供的高頻磁芯和德國VAC公司所推出的超微晶磁材,這種磁材具有非常高的初始導磁率,一般高達幾萬,而材料所使用的頻率為300kHz~1MHz,中心頻率為500kHz。

          目前,磁性材料最高工作頻率可達1.5MHz,這就是我國浙江天通公司所研制的MnZn鐵氧體TP5A材料。以上這些材料所制成的變壓器有貼片式變壓器、印制焊接式變壓器、變壓器模塊、各種形式的分體式變壓器、插入式變壓器、PCB平面變壓器及多層線路板平面變壓器。而平面多層變壓器,目前佩頓公司已能提供功率為5~25kW,頻率為50kHz到2MHz的一系列PM產品,預計最近幾年電源變壓器需求旺盛,已成為迅速發展的熱門產品,而電子變壓器未來發展的目標是輕量、高效、高密度化,電源變壓器發展的目標是表面安裝、高功率和高壓化。

          4.3 磁集成技術的發展和應用

          所謂磁集成技術,就是將變換器中的兩個或多個分立磁體繞制在一副磁芯中,從結構上集中在一起。集中后的磁件擬稱為集成磁件,通過一定的耦合方式,合理的參數設計,能有效地減小磁體的體積和損耗。在一定應用場合,還可以減小電源輸出紋波,提高電源輸出的動態性能。另外,磁集成技術明顯能減小連接端,可有效地減少大電流場合端子的損耗。

       
       
      發表時間:2011-6-1 9:20:05
       
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