當(dāng)今電源產(chǎn)業(yè)及電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
關(guān)鍵詞：發(fā)展趨勢(shì)；電源產(chǎn)業(yè)；標(biāo)準(zhǔn)化
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?，F(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。縱觀國(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。
2.1 用戶最關(guān)注的性能指標(biāo)
2.1.1 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。
2.1.2 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)。
2.1.3 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?？傊?，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。
2.1.4 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)模快的高度是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
|
時(shí) 間 |
電壓值/V | |||
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5 |
2.5 |
1.5 |
0.8～1 | |
|
2005年 |
39％ |
35％ |
15％ |
2％ |
|
2010年 |
21％ |
32％ |
30％ |
12％ |
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。
集成技術(shù)的發(fā)展歷史已有70余年，目前已能實(shí)現(xiàn)電感與電感集成，電感與變壓器集成，并廣泛地應(yīng)用于電壓調(diào)整模塊、功率因數(shù)校正、諧振變換器等場(chǎng)合，隨著未來(lái)電源的發(fā)展，新型磁性材料和磁芯將不斷涌現(xiàn)，勢(shì)必對(duì)磁集成技術(shù)提出更高要求，所以，此技術(shù)今后的主攻方向仍然是進(jìn)一步拓寬磁集成技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，擴(kuò)大應(yīng)用場(chǎng)合，不斷研究適用于新的磁性材料與磁芯結(jié)構(gòu)的磁集成技術(shù)，為電源縮體，減重做貢獻(xiàn)。
5 結(jié)語(yǔ)
由于文章篇幅有限，僅談上述幾點(diǎn)，供同行參考，不妥之處，請(qǐng)指正。
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