工業(yè)開關(guān)電源需求兩極發(fā)展，五大陣營各出奇招

摘要：  如今，開關(guān)電源已經(jīng)成為一個重要的基礎(chǔ)的產(chǎn)品。在中國，工業(yè)開關(guān)電源市場集中度較高，行業(yè)前10家企業(yè)所占市場份額高達76.1%。其中，兩家公司的市場占有率最高的，有明緯和西門子。

關(guān)鍵字：  工業(yè)開關(guān)電源，競爭陣營，西門子

目前工業(yè)開關(guān)電源市場中平板開關(guān)電源、導(dǎo)軌開關(guān)電源領(lǐng)域的代表性企業(yè)，成為工業(yè)開關(guān)電源企業(yè)競爭的核心。工業(yè)開關(guān)電源市場需求兩極化明顯，高端產(chǎn)品和低端產(chǎn)品需求量均較大，而中端產(chǎn)品需求較低。

根據(jù)各企業(yè)的市場份額及產(chǎn)品檔次，工業(yè)開關(guān)電源市場可分成5大競爭陣營：

第一陣營：目前只有明緯一家，產(chǎn)品定位于中低端市場，開關(guān)電源的市場份額超過21.4%;明緯增速較低，市場份額有所縮小。

第二陣營：主要包括西門子、菲尼克斯和朝陽，產(chǎn)品主要定位于高端市場。3家企業(yè)占開關(guān)電源整體市場的24.2%。其中，西門子、菲尼克斯是自動化領(lǐng)域的領(lǐng)先企業(yè)，電源產(chǎn)品與其自動化產(chǎn)品連帶銷售的優(yōu)勢比較明顯;朝陽以定制業(yè)務(wù)為主，在軌道交通領(lǐng)域有比較高的市場占有率。朝陽增長速度有所降低，西門子和菲尼克斯的增速要高于行業(yè)整體增速。

第三陣營：主要包括LAMBDA、德創(chuàng)、歐姆龍、衡孚和創(chuàng)聯(lián)，產(chǎn)品主要定位于中端至低端市場，5家企業(yè)占 開關(guān)電源整體市場的29.8%。其中，LAMBDA為全球開關(guān)電源最大的生產(chǎn)廠家之一，市場知名度較高;衡孚在 工業(yè)開關(guān)電源低端市場有較大的知名度;德創(chuàng)長期專注于電力自動化領(lǐng)域，在電力領(lǐng)域市場占有率較高，第三陣營市場份額變化不大。

第四陣營：產(chǎn)品主要定位于高端及中高端市場，該陣營多數(shù)企業(yè)為外資品牌，行業(yè)主要8家企業(yè)占開關(guān)電源整體市場的9.3%;第四陣營大部分企業(yè)的增長速度要高于整體市場增速，因此該陣營市場份額有所增長。

第五陣營：產(chǎn)品主要定位于中端至低端市場，行業(yè)主要10家企業(yè)占 開關(guān)電源整體市場的10.2%。第五陣營大部分企業(yè)的增長速度低于整體市場增速，甚至零增長或負增長，因此該陣營市場份額有所減小。

工業(yè)開關(guān)電源市場需求兩極化明顯，高端產(chǎn)品和低端產(chǎn)品需求量均較大，而中端產(chǎn)品需求較低。工業(yè)開關(guān)電源市場中，高端產(chǎn)品約占整個市場份額的24.9%，低端產(chǎn)品約占整個市場份額的37.3%，而中高端、中端、中低端等產(chǎn)品的各自市場份額均比較低。造成這種現(xiàn)象是因為工業(yè)開關(guān)電源應(yīng)用領(lǐng)域的不同需求，如電力、軌道交通、石化、冶金等領(lǐng)域?qū)Ω叨斯I(yè)開關(guān)電源的需求較大，而機械領(lǐng)域的大部分企業(yè)主要采購低端工業(yè)開關(guān)電源。中端產(chǎn)品目前的需求領(lǐng)域主要是一些中小型的電廠、電力設(shè)備、重型機械、石化設(shè)備等。

剖析開關(guān)電源技術(shù)的四大趨勢

目前中國制造的開關(guān)電源占了世界市場的80%，但是高端市場上幾乎沒有我們的份額。我國目前能源緊缺，而電源行業(yè)又是一個與能源消耗密切相關(guān)的行業(yè)，所以需要政府以及學(xué)會團體應(yīng)該在幾個方面給電源的發(fā)展方向作出指導(dǎo)。

一、非隔離DC/DC技術(shù)迅速發(fā)展

近年來，非隔離DC/DC技術(shù)發(fā)展迅速。目前一套電子設(shè)備或電子系統(tǒng)由于負載不同，會要求電源系統(tǒng)提供多個電壓擋級。如臺式PC機就要求有+12V、+5V、+3.3V、-12V四種電壓以及待機的+5V電壓，主機板上則需要2.5V、1.8V、1.5V甚至1V等。一套AC/DC中不可能給出這樣多的電壓輸出，而大多數(shù)低壓供電電流都很大，因此開發(fā)了很多非隔離的DC/DC，它們基本上可以分成兩大類。一類在內(nèi)部含有功率開關(guān)元件，稱DC/DC轉(zhuǎn)換器。另一類不含功率開關(guān)，需要外接功率MOSFET，稱DC /DC控制器。按照電路功能劃分，有降壓的STEP-DOWN、升壓的BOOST，還有能升降壓的BUCK-BOOST或SEPIC等，以及正壓轉(zhuǎn)成負壓的INVERTOR等。其中品種最多，發(fā)展最快的還是降壓的STEP-DOWN。根據(jù)輸出電流的大小，分為單相、兩相及多相?？刂品绞缴弦訮WM為主，少部分為PFM。

在非隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換技術(shù)中，TI公司的預(yù)檢測柵驅(qū)動技術(shù)采用數(shù)字技術(shù)控制同步BUCK，采用這種技術(shù)的DC/DC 轉(zhuǎn)換效率最高可以達到97%，其中TPS40071等是其代表產(chǎn)品。BOOST升壓方式也出現(xiàn)了采用MOSFET代替二極管的同步BOOST的產(chǎn)品。在低壓領(lǐng)域，增加效率的幅度很大，而且正在設(shè)法進一步消除MOSFET的體二極管的導(dǎo)通及反向恢復(fù)問題。

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二、開關(guān)電源吹響數(shù)字化號角

目前在整個的電子模擬電路系統(tǒng)中，電視、音響設(shè)備、照片處理、通訊、網(wǎng)絡(luò)等都逐步實現(xiàn)了數(shù)字化，而最后一個沒有數(shù)字化的堡壘就是電源領(lǐng)域了。近年來，數(shù)字電源的研究勢頭不減，成果也越來越多。在電源數(shù)字化方面走在前面的公司有TI和Microchip。TI公司既有DSP方面的優(yōu)勢，又兼并了PWMIC 專業(yè)制造商UNITRODE公司，該公司已經(jīng)用TMS320C28F10制成了通訊用的48V輸出大功率電源模塊，其中PFC和PWM部分完全為數(shù)字式控制。現(xiàn)在，TI公司已經(jīng)研發(fā)出了多款數(shù)字式PWM控制芯片。目前主要是UCD7000系列、UCD8000系列和UCD9000系列，它們將成為下一代數(shù)字電源的探路者。它們總體上既包括硬件部分，還要做軟件編程。硬件部分包括PWM的邏輯部分、時鐘、放大器環(huán)路的模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換以及數(shù)字處理、驅(qū)動，同步整流的檢測和處理等。

目前在電源領(lǐng)域里的競爭主要還是性能價格的競爭，所以數(shù)字電源還有很長的路要走，然而電源領(lǐng)域的數(shù)字化的號角已經(jīng)吹響了。

三、初級PWM控制IC不斷優(yōu)化

有源箝位技術(shù)歷經(jīng)十余年經(jīng)久不衰，自從2002年VICOR公司此項專利技術(shù)到期解禁之后，各家公司開發(fā)的新型有源箝位控制IC如雨后春筍般涌現(xiàn)，給用戶提供了充分的選擇。[!--empirenews.page--]

控制早期有源箝位控制技術(shù)的TI，不僅保持了原有的UCC3580系列，又新開發(fā)了性能更優(yōu)越的UCC2891-94，它采用電流型控制方式，綜合了高邊箝位、低邊箝位兩種控制方案，給出了全新的控制技巧。OnSemi先推出了低壓(100V)有源箝位的NCP1560控制芯片，隨后又推出了高壓應(yīng)用的控制芯片NCP1280，它既解決了LCDTV等離子TV電源的要求，現(xiàn)在又直指下一代無風(fēng)扇的PC機電源。

美國NS公司的5000系列中專門有一款LM5025的有源箝位控制IC，連名不見經(jīng)傳的Semtech公司也給出了有源箝位的控制芯片，型號是SC4910，可見其背后蘊藏著巨大的市場商機。直到最近TI公司又推出的有源箝位控制ICUCC2897，已經(jīng)將有源箝位的PWM控制做到了完美無缺。而臺商飛兆公司則給出了最廉價的有源箝位控制IC，即SD7558和SD7559。

在大功率領(lǐng)域，全橋移相ZVS軟開關(guān)技術(shù)在解決開關(guān)電源的效率上功不可沒。從TI公司的UC3875到UCC3895，再從Linear公司的LTC1922到LTC3722增加了自適應(yīng)檢測技術(shù)，使全橋移相技術(shù)達到了頂峰。然而，在同步整流技術(shù)普遍應(yīng)用的今天，它卻無法實現(xiàn)最佳的ZVS同步整流。因為全橋移相電路在本質(zhì)上是屬于非對稱的，它無法實現(xiàn)完全的ZVS同步整流，由于其開啟和關(guān)斷過程總有一半是硬開關(guān)，因而效率比不上對稱電路拓撲的ZVS方式的同步整流。最新的科技成果應(yīng)該是 INTERSIL公司推出的PWM對稱全橋的ZVS控制IC-ISL6752。它既能控制初級側(cè)的四個MOS開關(guān)為ZVS工作狀態(tài)，又能準(zhǔn)確地給出控制二次側(cè)的同步整流為ZVS工作狀態(tài)的驅(qū)動信號。采用這顆IC制作的400W的DC/DC再加上先進的功率MOSFET，轉(zhuǎn)換效率可達到95%。

對于小功率的開關(guān)電源，則仍舊是反激變換器的PWM控制IC，但是它必須要能很好地解決二次側(cè)的同步整流的控制方式。OnSemi公司的NCP1207 和NCP1377是高壓AC/DC領(lǐng)域的佼佼者。若能再配上TI公司的反激變換器的同步整流控制IC-UCC27226，則能使它們成為幾乎完美無瑕的高效率電源。低壓DC/DC領(lǐng)域中的反激變換器控制IC中，Linear公司的LTC3806則是上乘之作。LTC3806不僅能控制好PWM，還給出準(zhǔn)確的二次側(cè)同步整流驅(qū)動信號，是低壓小功率電源控制IC的杰作。

綜上所述，開關(guān)電源設(shè)計時可以選擇最佳控制方式和最佳電路拓撲。大功率應(yīng)該是全橋ZVS加上二次側(cè)ZVS同步整流，典型控制IC是ISL6752;中等功率到小功率應(yīng)該是有源箝位正激變換ZVS軟開關(guān)配上二次側(cè)的預(yù)檢測柵驅(qū)動技術(shù)的同步整流;而小功率應(yīng)該是配好同步整流的反激變換。當(dāng)然，這里沒有絕對的界限，只是不同的條件下應(yīng)該有相應(yīng)的最佳選擇。

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四、同步整流技術(shù)實現(xiàn)高效

從上世紀(jì)90年代末期同步整流技術(shù)誕生以來，開關(guān)電源技術(shù)得到了極大的發(fā)展，采用IC控制技術(shù)的同步整流方案已經(jīng)為研發(fā)工程師普遍接受，現(xiàn)在的同步整流技術(shù)都在努力實現(xiàn)ZVS、ZCS方式的同步整流。

從2002年美國銀河公司發(fā)表了ZVS同步整流技術(shù)之后，現(xiàn)在已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。這種方式的同步整流系巧妙地將二次側(cè)驅(qū)動同步整流的脈沖信號調(diào)為比一次側(cè)的PWM脈沖信號的上升沿超前，下降沿滯后的方法實現(xiàn)了同步整流MOS的ZVS方式工作。最新問世的雙輸出式PWM控制IC幾乎都在控制邏輯內(nèi)增加了對二次側(cè)實現(xiàn)ZVS同步整流的控制端子。例如：Linear公司的LTC3722、LTC3723，INTERSIL公司的ISL6752等。這些IC不僅努力解決好初級側(cè)功率MOSFET的軟開關(guān)，而且著力解決好二次側(cè)的ZVS方式的同步整流，轉(zhuǎn)換效率可達94%以上。

在非對稱的開關(guān)電源電路拓撲中，特別是對于性能良好的正激電路或正激有源箝位電路，在二次側(cè)的同步整流中，為了實現(xiàn)ZVS方式的同步整流，消除MOSFET體二極管的導(dǎo)通損耗和反向恢復(fù)時間帶來的損耗，TI公司的專利技術(shù)“預(yù)檢測柵驅(qū)動技術(shù)”在控制芯片中增加了大量的數(shù)字控制技術(shù)，正激電路同步整流的控制芯片 UCC27228的誕生使正激電路的效率達到了前所未有的高效率。

再配合好初級側(cè)的有源箝位技術(shù)之后，使這種最新的電路模式既做到了初級側(cè)的軟開關(guān)ZVS方式工作，又解決了磁芯復(fù)位及能量回饋，減輕了功率 MOSFET的電壓應(yīng)力，還做到了二次側(cè)的ZVS最佳狀態(tài)的同步整流，綜合使用這兩項技術(shù)的中小功率的DC/DC變換器，其效率都在94%以上，功率密度也都能達到200W/in以上。

高頻開關(guān)電源的發(fā)展趨勢

在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中，開關(guān)電源技術(shù)均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源，傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重，如果采用高頓開關(guān)電源技術(shù)，其體積和重量都會大幅度下降，而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中，更是離不開開關(guān)電源技術(shù)，通過開關(guān)電源改變用電頻率，從而達到近于理想的負載匹配和驅(qū)動控制。高頻開關(guān)電源技術(shù)，更是各種大功率開關(guān)電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術(shù)。

1.高頻化

理論分析和實踐經(jīng)驗表明，電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當(dāng)我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz，提高400倍的話，用電設(shè)備的體積重量大體下降至工頻設(shè)計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機，還是通訊電源用的開關(guān)式整流器，都是基于這一原理。同樣，傳統(tǒng)“整流行業(yè)”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據(jù)這一原理進行改造， 成為“開關(guān)變換類電源”，其主要材料可以節(jié)約90%或更高，還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高，促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設(shè)備固態(tài)化，帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經(jīng)濟效益，更可體現(xiàn)技術(shù)含量的價值。

2.模塊化

模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊，含有一單元、兩單元、六單元直至七元，包括開關(guān)器件和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管，實質(zhì)上都屬于“標(biāo)準(zhǔn)”功率模塊(SPM)。近年，有些公司把開關(guān)器件的驅(qū)動保護電路也裝到功率模塊中去，構(gòu)成了“智能化” 功率模塊(IPM)，不但縮小了整機的體積，更方便了整機的設(shè)計制造。實際上，由于頻率的不斷提高，致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴(yán)重，對器件造成更大的電應(yīng)力(表現(xiàn)為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性，有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊(ASPM)，它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中，使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接，這樣的模塊經(jīng)過嚴(yán)格、合理的熱、電、機械方面的設(shè)計，達到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片，再把整個模塊固定在相應(yīng)的散熱器上，就構(gòu)成一臺新型的開關(guān)電源裝置。由此可見，模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數(shù)降到最小，從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低，提高系統(tǒng)的可靠性。另外，大功率的開關(guān)電源，由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮，一般采用多個獨立的模塊單元并聯(lián)工作，采用均流技術(shù)，所有模塊共同分擔(dān)負載電流，一旦其中某個模塊失效，其它模塊再平均分擔(dān)負載電流。這樣，不但提高了功率容量， 在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求， 而且通過增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊，極大的提高系統(tǒng)可靠性，即使萬一出現(xiàn)單模塊故障，也不會影響系統(tǒng)的正常工作，而且為修復(fù)提供充分的時間。[!--empirenews.page--]

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3. 數(shù)字化

在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中，控制部分是按模擬信號來設(shè)計和工作的。在六、七十年代，電力電子技術(shù)完全是建立在模擬電路基礎(chǔ)上的。但是，現(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要，數(shù)字信號處理技術(shù)日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點：便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào)，也便于自診斷、容錯等技術(shù)的植入。所以，在八、九十年代，對于各類電路和系統(tǒng)的設(shè)計來說，模擬技術(shù)還是有用的，特別是：諸如印制版的布圖、電磁兼容 (EMC)問題以及功率因數(shù)修正(PFC)等問題的解決，離不開模擬技術(shù)的知識，但是對于智能化的開關(guān)電源，需要用計算機控制時，數(shù)字化技術(shù)就離不開了。

4.綠色化

電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義：首先是顯著節(jié)電， 這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)，如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上，許多功率電子節(jié)電設(shè)備，往往會變成對電網(wǎng)的污染源：向電網(wǎng)注入嚴(yán)重的高次諧波電流，使總功率因數(shù)下降，使電網(wǎng)電壓耦合許多毛刺尖峰，甚至出現(xiàn)缺角和畸變。20世紀(jì)末，各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生，有了多種修正功率因數(shù)的方法。這些為2l世紀(jì)批量生產(chǎn)各種綠色開關(guān)電源產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。

現(xiàn)代電力電子技術(shù)是開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著新型電力電子器件和適于更高開關(guān)頻率的電路拓撲的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代電源技術(shù)將在實際需要的推動下快速發(fā)展。在傳統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)下，由于功率器件性能的限制而使開關(guān)電源的性能受到影響。為了極大發(fā)揮各種功率器件的特性，使器件性能對開關(guān)電源性能的影響減至最小，新型的電源電路拓撲和新型的控制技術(shù)，可使功率開關(guān)工作在零電壓或零電流狀態(tài)，從而可大大的提高工作頻率，提高開關(guān)電源工作效率，設(shè)計出性能優(yōu)良的開關(guān)電源。

總而言之，電力電子及開關(guān)電源技術(shù)因應(yīng)用需求不斷向前發(fā)展，新技術(shù)的出現(xiàn)又會使許多應(yīng)用產(chǎn)品更新?lián)Q代，還會開拓更多更新的應(yīng)用領(lǐng)域。開關(guān)電源高頻化、模塊化、數(shù)字化、綠色化等的實現(xiàn)，將標(biāo)志著這些技術(shù)的成熟，實現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。這幾年，隨著通信行業(yè)的發(fā)展，以開關(guān)電源技術(shù)為核心的通信用開關(guān)電源，僅國內(nèi)有20多億人民幣的市場需求，吸引了國內(nèi)外一大批科技人員對其進行開發(fā)研究。開關(guān)電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨，因此，同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在啟動，并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關(guān)電源技術(shù)為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)。

專家觀點：能源緊缺急需節(jié)能政策出臺

目前中國制造的開關(guān)電源占了世界市場的80%，但是高端市場上幾乎沒有我們的份額。我國目前能源緊缺，而電源行業(yè)又是一個與能源消耗密切相關(guān)的行業(yè)，所以需要政府以及學(xué)會團體應(yīng)該在幾個方面給電源的發(fā)展方向作出指導(dǎo)。

首先，彩電電源的空載功耗。在城市里很多家庭晚上看完電視后，采用遙控關(guān)斷的方法關(guān)機，使電力白白消耗。這時彩電的空載損耗多在3.5W以上，歐洲標(biāo)準(zhǔn)是小于1W，日本標(biāo)準(zhǔn)是小于0.6W。

第二，國內(nèi)各個家電廠商對于電源的效率要求不高，只要求價格。例如，DVD生產(chǎn)商在外配電源適配器時，寧可選擇轉(zhuǎn)換效率不足80%，空載損耗1.5W的49元一臺的適配器，卻不愿意選擇轉(zhuǎn)換效率90%以上，空載損耗《0.6W的59元一臺的適配器。

目前，我們國家的石油進口已經(jīng)超過50%，仍舊是缺油大國，如果私家車再多一些，我們到哪里去弄石油?是否該用法律及政策去鼓勵企業(yè)和工程師多開發(fā)和生產(chǎn)高效率的電源呢?