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      當(dāng)今世界電源產(chǎn)業(yè)以及電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

      引言

             電力電子技術(shù)已發(fā)展成為一門(mén)完整的、自成體系的高科技技術(shù),電源技術(shù)屬于電力電子技術(shù)的范疇。電源技術(shù)主要是為信息產(chǎn)業(yè)服務(wù)的,信息技術(shù)的發(fā)展又對(duì)電源技術(shù)提出了更高的要求,從而促進(jìn)了電源技術(shù)的發(fā)展,兩者相輔相成才有了現(xiàn)今蓬勃發(fā)展的信息產(chǎn)業(yè)和電源產(chǎn)業(yè)。從日常生活到最尖端的科學(xué)都離不開(kāi)電源技術(shù)的參與和支持,而電源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)對(duì)提高一個(gè)國(guó)家勞動(dòng)生產(chǎn)率的水平,即提高一個(gè)國(guó)家單位能耗的產(chǎn)出水平,具有舉足輕重的作用。在這方面我國(guó)與世界先進(jìn)國(guó)家的差距很大,作為一個(gè)電源工作者,不僅應(yīng)該完成當(dāng)前的本職工作,還必須通過(guò)各種信息渠道及時(shí)掌握電源技術(shù)最新發(fā)展方向與相關(guān)的元器件、原材料的最新發(fā)展動(dòng)態(tài),國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的薄膜工藝、厚膜工藝、集成化工藝等。只有這樣才能設(shè)計(jì)出世界一流的電源產(chǎn)品。為此,就當(dāng)前電源產(chǎn)業(yè)及技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)談一些個(gè)人的看法,供同行參考、討論。

          1、急速向多元化技術(shù)發(fā)展

          電源設(shè)備用以實(shí)現(xiàn)電能變換和功率傳遞,是一種技術(shù)含量高、知識(shí)面寬、更新?lián)Q代快的產(chǎn)品。現(xiàn)今已廣泛應(yīng)用到工業(yè)、能源、交通、運(yùn)輸、信息、航空、航天、航運(yùn)、國(guó)防、教育、文化等領(lǐng)域。在信息時(shí)代,上述各行各業(yè)都在迅猛地發(fā)展,發(fā)展的同時(shí)又對(duì)電源產(chǎn)業(yè)提出了更多更高的要求。如節(jié)能、節(jié)電、節(jié)材、縮體、減重、防止污染,改善環(huán)境、可靠、安全等。這就迫使電源工作者在電源研發(fā)過(guò)程中不斷探索,并利用各種相關(guān)技術(shù),做出合格電源產(chǎn)品,以滿足各行各業(yè)的需求。顯然,電源技術(shù)的發(fā)展將帶動(dòng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,而相關(guān)技術(shù)的發(fā)展反過(guò)來(lái)又推動(dòng)了電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。當(dāng)前在電源產(chǎn)業(yè),占主導(dǎo)地位的產(chǎn)品有各種線性穩(wěn)壓電源、通訊用的 AC/DC開(kāi)關(guān)電源、DC/DC開(kāi)關(guān)電源、交流變頻調(diào)速電源、電解電鍍電源、高頻逆變式整流焊接電源、中頻感應(yīng)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(wěn)壓電源、綠色照明電源、化學(xué)電源、UPS、可靠高效低污染的光伏逆變電源、風(fēng)光互補(bǔ)型電源等。而與電源相關(guān)的技術(shù)有高頻變換技術(shù)、功率轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)字化控制技術(shù)、全諧振高頻軟開(kāi)關(guān)變換技術(shù)、同步整流技術(shù)、高度智能化技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、功率因數(shù)校正技術(shù)、保護(hù)技術(shù)、并聯(lián)均流控制技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、智能監(jiān)測(cè)技術(shù)、智能化充電技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)、集成化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、各種形式的驅(qū)動(dòng)技術(shù)和先進(jìn)的工藝技術(shù)。

          2、性能/價(jià)格比是贏得市場(chǎng)占有率的永恒主題

          產(chǎn)品價(jià)格、性能指標(biāo)、品牌效應(yīng)及使用壽命一直是用戶最關(guān)心的問(wèn)題?v觀國(guó)內(nèi)外幾家知名電源廠商及世界頂級(jí)電源供應(yīng)商都面對(duì)同樣的壓力,即價(jià)格之爭(zhēng)、性能拼比、產(chǎn)品的精益求精以至藝術(shù)化競(jìng)爭(zhēng),特別是在信息時(shí)代,由于信息網(wǎng)絡(luò)給用戶帶來(lái)網(wǎng)上定貨采購(gòu)的可能,這使產(chǎn)品價(jià)格變得日趨公開(kāi),迫使每個(gè)電源供應(yīng)商苦思冥想尋求降低成本的一系列措施,盡量提高性價(jià)比,以贏得市場(chǎng)占有率。

          用戶最關(guān)注的性能指標(biāo)

          (1) 電氣性能指標(biāo)

          除特種電源外,一般線性和開(kāi)關(guān)電源均有數(shù)十項(xiàng)指標(biāo),但最常提及的指標(biāo)有輸出電壓精度、電網(wǎng)調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、溫度系數(shù)、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(hù)性能及效率等。上述指標(biāo)必須用合格的測(cè)試設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法,經(jīng)測(cè)試合格后交給用戶。需要指出的是,各項(xiàng)性能指標(biāo)以滿足用戶要求為宜,不必過(guò)分追求高指標(biāo)而無(wú)形地增大電源的體積、重量和成本。

          (2) 可靠性、安全性與質(zhì)量

          質(zhì)量是企業(yè)的生命線,縱觀改革開(kāi)放以來(lái),我國(guó)企業(yè)的發(fā)展史,無(wú)不說(shuō)明質(zhì)量在企業(yè)的興衰中起著舉足輕重的作用,尤其在我國(guó)加入WTO后,電源設(shè)備必將進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng),大家必須遵從國(guó)際貿(mào)易協(xié)定的共同準(zhǔn)則,必須加快融入全球一體化的步伐。企業(yè)必須接受安全、質(zhì)量體系等種種標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范的認(rèn)證。當(dāng)今的電源企業(yè)決不能把質(zhì)量狹義地理解為企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量,而應(yīng)廣義地理解為企業(yè)的全面質(zhì)量。因此,企業(yè)應(yīng)按ISO9000標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量認(rèn)證,明確自己企業(yè)的質(zhì)量目標(biāo)和質(zhì)量方針,對(duì)全員進(jìn)行質(zhì)量教育,把產(chǎn)品質(zhì)量貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和用戶服務(wù)的全過(guò)程,生產(chǎn)出技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量保證的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品,供應(yīng)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)。

          (3) 關(guān)注EMC設(shè)計(jì)水平

          電磁兼容是研究在有限空間、時(shí)間以及頻譜資源條件下,各種電氣、電子設(shè)備可以共存,并不引起性能降低的專門(mén)學(xué)科。它是伴隨著無(wú)線電電子學(xué)中高頻、特高頻應(yīng)用的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。電磁兼容其實(shí)質(zhì)含義是,一方面設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁騷擾,不應(yīng)對(duì)周圍設(shè)備造成不能承受的干擾,也不應(yīng)對(duì)周圍環(huán)境造成不能承受的污染;另一方面設(shè)備或系統(tǒng)對(duì)來(lái)自周圍環(huán)境中的電磁干擾應(yīng)具有足夠的抗御能力。要做到這些,相當(dāng)困難,設(shè)計(jì)者必須通過(guò)學(xué)習(xí)和大量的實(shí)踐,深刻認(rèn)識(shí)電磁兼容的真正含義和產(chǎn)生干擾的途徑,采取有效措施進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)。如:加電網(wǎng)濾波器,采取無(wú)源補(bǔ)償方案,以有效地抑制傳導(dǎo)干擾;加各種屏蔽措施,以抑制輻射干擾;加 RC吸收網(wǎng)絡(luò)于電路的適當(dāng)部位以吸收開(kāi)關(guān)尖峰;利用各種軟開(kāi)關(guān)技術(shù),保證開(kāi)關(guān)器件在零電壓下導(dǎo)通,零電流下關(guān)斷,以減小過(guò)高的電流、電壓梯度所帶來(lái)的嚴(yán)重電磁干擾;合理設(shè)計(jì)印制板,合理的地線布局等都會(huì)減小電磁干擾。總之,電磁兼容技術(shù)發(fā)展很快,用戶對(duì)電磁兼容的要求也會(huì)愈來(lái)愈高,值得電源供應(yīng)商倍加注意。

          (4) 齊全的保護(hù)功能

          目前,電源中所使用的功率器件價(jià)格較貴,其控制電路也比較復(fù)雜,另外,電源的負(fù)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(hù)應(yīng)兼顧本身和負(fù)載的安全。目前保護(hù)的種類很多,如:極性保護(hù)、程序保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等。由于電源的種類很多,用途各異,所以,對(duì)保護(hù)的要求也各有側(cè)重,具體保護(hù)的設(shè)置應(yīng)按具體要求而定。電源中加了保護(hù)電路后,勢(shì)必增加元器件,反過(guò)來(lái)又會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性,為此要求保護(hù)電路本身的可靠性一定要高,以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性,進(jìn)而提高電源本身的MTBF,這就要求保護(hù)的邏輯嚴(yán)密,電路簡(jiǎn)單,元器件最少,除此而外還要考慮所保護(hù)電路本身出現(xiàn)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(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)管理模式,盡力縮短產(chǎn)品研發(fā)周期;
      • 加強(qiáng)全員質(zhì)量意識(shí),把產(chǎn)品質(zhì)量貫穿于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的全過(guò)程,力爭(zhēng)產(chǎn)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(chǎn)品的性能以滿足用戶為宜,不須過(guò)分地追求高指標(biāo)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(yǎng)、尊重和愛(ài)護(hù)人才,還要合理地安排和使用,有效地發(fā)揮其作用,絕不浪費(fèi)人才資源;
      • 以最大的信息量和信譽(yù)度加大市場(chǎng)占有率和資金回收率。 

          3、高頻、高效、低壓大電流化、標(biāo)準(zhǔn)化是開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)

          3.1 在封裝結(jié)構(gòu)上正朝著薄型和超薄型方向發(fā)展

          以前標(biāo)準(zhǔn)?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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化尺寸,多為1/8、1/4、1/2、3/4和全磚式結(jié)構(gòu),輸出端子相互兼容的設(shè)計(jì)日趨明顯。模塊內(nèi)部控制電路傾向于采用數(shù)字控制方式,非隔離式DC/DC變換器比隔離式增長(zhǎng)速度快,分布式電源比集中式電源發(fā)展快。

      3.2 低電壓大電流化

          隨著半導(dǎo)體工藝等級(jí)未來(lái)十年將從0.18μm向50nm邁進(jìn),芯片所需最低電壓最終將變?yōu)?.6V,但輸出電流將朝著大電流方向發(fā)展。據(jù)市場(chǎng)調(diào)查,隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展,電源對(duì)各種電壓的需求百分率走勢(shì)如表1所列。

      表1 電源對(duì)各種電壓的需求

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

          3.3 高效化

          應(yīng)用各種軟開(kāi)關(guān)技術(shù),包括無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、有源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)(如ZVS/ZCS諧振、準(zhǔn)諧振)、恒頻零開(kāi)關(guān)技術(shù)、零電壓、零電流轉(zhuǎn)換技術(shù)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(shí)的效率,而效率的提高使得敞開(kāi)式無(wú)散熱器的電源模塊有了實(shí)現(xiàn)的可能。這類模塊是當(dāng)今世界模塊發(fā)展的潮流,必將得到廣泛應(yīng)用。隨著器件性能的改變,電源效率即將達(dá)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(xiàn)在每立方英寸達(dá)數(shù)百W。在全球范圍內(nèi)高功率密度直流轉(zhuǎn)換模塊市場(chǎng)以每年16.8%的增長(zhǎng)速度向前發(fā)展。輸出電流將增長(zhǎng)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(zhuǎn)換器,其參數(shù)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(dá)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(dá)每立方英寸214W。

          3.5 高頻化

          為了縮小開(kāi)關(guān)電源的體積,提高電源的功率密度并改善動(dòng)態(tài)響應(yīng),小功率DC/DC變換器的開(kāi)關(guān)頻率已由現(xiàn)在的200kHz~500kHz提高到1MHz以上,但高頻化又會(huì)產(chǎn)生新的問(wèn)題,如開(kāi)關(guān)損耗以及無(wú)源元件的損耗增大,高頻寄生參數(shù)的影響以及高頻電磁干擾增大等。

          4、一流電源產(chǎn)品離不開(kāi)先進(jìn)的元器件及先進(jìn)的工藝

          4.1 功率器件的發(fā)展是電源技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)

          功率MOSFET是目前最快速度的功率器件。目前較先進(jìn)的水平電壓可達(dá)1200V,電流可達(dá)60A,頻率可達(dá)2MHz,導(dǎo)通電阻可達(dá)0.1Ω左右。提高器件耐壓,同時(shí)減小其導(dǎo)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(fù)合而成的電力電子器件,它的控制極為絕緣柵控場(chǎng)效應(yīng)晶體管,輸出極為PNP雙極功率晶體管,因而具有兩者的優(yōu)點(diǎn),而克服了兩者的缺點(diǎn)。目前耐壓可達(dá)6.5kV,電流可達(dá)1.2kA,今后的主攻方向仍是擴(kuò)大容量,減小內(nèi)阻,以減小導(dǎo)通損耗。由于 IGBT經(jīng)常工作在高頻、高壓、大電流狀態(tài)下,又由于電源作為系統(tǒng)的前級(jí),易受電網(wǎng)波動(dòng)、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(shí),除作降額考慮外,對(duì)IGBT的保護(hù)設(shè)計(jì)也極為重要。

          IGCT是GTO的更新?lián)Q代產(chǎn)品,它應(yīng)用了分布集成門(mén)極驅(qū)動(dòng),淺層發(fā)射極等技術(shù)。器件的開(kāi)關(guān)速度有一定提高,同時(shí)減少了門(mén)極驅(qū)動(dòng)的功率,應(yīng)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(shù)的發(fā)展和成熟,人們逐漸認(rèn)識(shí)到磁性元件不僅是電源中的功能元件,同時(shí)其體積、重量、損耗在整機(jī)中也占相當(dāng)比例。據(jù)統(tǒng)計(jì),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(duì)于模塊化設(shè)計(jì)的高頻電源,磁性元件的體積、重量所占的比例還會(huì)更高。另外,磁性元件還是影響電源輸出動(dòng)態(tài)性能和輸出紋波的一個(gè)重要因素。因此,要提高電源的功率密度、效率和輸出品質(zhì),就應(yīng)對(duì)減小磁性元件的體積、重量及損耗的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深入研究,以滿足電源發(fā)展的需要。

          對(duì)于低、中頻電源的變壓器,建議采用R型變壓器,其特點(diǎn)是損耗低,體積小,無(wú)噪聲,抗干擾能力強(qiáng)。目前發(fā)展?fàn)顩r是單相功率范圍已擴(kuò)展到1VA~100kVA,三相功率范圍已擴(kuò)展到315kVA。未來(lái)主攻的方向是設(shè)法克服應(yīng)用中沖擊電流比較大的缺點(diǎn)。

          對(duì)于高頻變壓器,主要用于各種形式的開(kāi)關(guān)電源,頻率為20kHz~500kHz,功率可做到數(shù)十kW,所用材料主要是非晶、微晶、超微晶、軟磁鐵氧體材料。當(dāng)變壓器工作頻率大于700kHz時(shí),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(xiàn)了用納米晶軟磁合金和納米晶磁材制成的各種變壓器。當(dāng)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(guó)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(dǎo)磁率,一般高達(dá)幾萬(wàn),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(dá)1.5MHz,這就是我國(guó)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(chǎn)品,預(yù)計(jì)最近幾年電源變壓器需求旺盛,已成為迅速發(fā)展的熱門(mén)產(chǎn)品,而電子變壓器未來(lái)發(fā)展的目標(biāo)是輕量、高效、高密度化,電源變壓器發(fā)展的目標(biāo)是表面安裝、高功率和高壓化。

          4.3 磁集成技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

          所謂磁集成技術(shù),就是將變換器中的兩個(gè)或多個(gè)分立磁體繞制在一副磁芯中,從結(jié)構(gòu)上集中在一起。集中后的磁件擬稱為集成磁件,通過(guò)一定的耦合方式,合理的參數(shù)設(shè)計(jì),能有效地減小磁體的體積和損耗。在一定應(yīng)用場(chǎng)合,還可以減小電源輸出紋波,提高電源輸出的動(dòng)態(tài)性能。另外,磁集成技術(shù)明顯能減小連接端,可有效地減少大電流場(chǎng)合端子的損耗。

       
       
      發(fā)表時(shí)間:2011-6-1 9:20:05
       
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