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开关电源相关知识

徐泽玮2006-4-22
1、直流开关电源市场的发展
  直流开关电源是各种电源中应用范围和市场最大的一种,包括从交流输入变为直流输出的“开关整流器”和从直流输入变为直流输出的“直流变换器”。直流开关电源经过几十年的发展,集中了许多高新技术,包括高频开关技术、软开关技术、功率因数校正技术、同步整流技术、智能化技术、表面安装技术,已经形成高工作频率、高效率、高功率密度、高可靠性等为特征的现代直流开关电源。

  直流开关电源的应用范围和市场比较大,按日本电子机械工业协会开关电源专业委员会的分类方法,包括:(1)各种电子计算机、中央处理器、存储装置用开关电源;(2)计算机外围终端设备,输入输出装置用开关电源;(3)有线通讯设备、程控交换机、户内通讯设备用开关电源;(4)无线通讯设备、发送设备、移动通讯设备用开关电源;(5)工厂自动化、机器人、数控机床、空调设备、电力控制设备用开关电源;(6)自动售货机、现金自动交付机、现金自动存储机用开关电源;(7)显示器、示波器用开关电源;(8)医疗设备、试验仪器、汽车电子、液晶显示装置用开关电源;(9)文字书写机、个人计算机、传真机用开关电源;(10)复印机、速印机用开关电源;(11)电视机、录像机用开关电源;(12)游戏机用开关电源;(13)数字音响、电子乐器用开关电源;(14)磁带录音机、立体声录放机用开关电源;(15)插头式开关电源、充电器用开关电源和住宅设备用开关电源。之所以分得这样细的原因是日本的直流工关电源市场占世界的50%~45%,品种多、用量大,可以针对各自不同的要求进行设计,有利于追求最佳性能和最低成本。

  在我国,直流电源市场的发展不及日本那样快、那样大、那样广,粗略的分为计算机用开关电源、通讯用开关电源、工业用开关电源、办公设备用开关电源、商业用开关电源和家用开关电源等六大领域来分析。
我国2000年的直流开关电源产值比1999年增长了15%左右,约占世界开关电源总产值的4.6%(不包括外资企业)。如果包括外资企业,将达到50%左右。因为世界排名1、2、4、5的直流开关电源厂和世界最大的计算机开关电源厂都设在我国珠江三角洲。同时,在苏州为中心的长江三角洲和厦门附近的闽南地区,也相继形成了直流开关电源生产基地。

  从2000年起,计算机在我国的销售市场迅速扩大,据不完全统计,已超过2500亿元。计算机主要是国外品牌,与之配套的计算机用开关电源也主要是由外资企业和国外供应。但是计算机用开关电源的变压器和电感器已逐渐转向国内生产,出现一批磁芯生产厂和电子变压器生产厂。 

  通讯电源由于受进网限制,大部分由国内生产。其中大公司,如广东的中兴、安盛、上海的中达一斯米克、烟台的东方电子,约占市场的25%;原电子部、邮电部属企业,如武汉的洲际、广东的珠江、北京的动力源、石家庄的亚澳,约占市场的15%;在最近几年发展起来的新企业,如河南许继、广东珠海的泰坦、北京的通力环,约占市场的15%;中外合资企业,如上海西门子,新电元,北京爱立信,桂林中志,约占市场的20%;以民营科技为主的中小企业,如江苏大唐科源等,约占市场的6%左右;还有几十人以下的个体企业,估计在全国超过1000家,约占市场的20%。这样,大中小齐上阵,中外企业都来争夺中国通讯电源市场,形成竞争十分激烈的局面,从而使通讯用开关电源在中国发展非常迅速。开关整流器已从48伏50安发展为48伏100安和200安,工作频率从40KHZ提高为100~250KHZ,普通采用软开关技术,功率因数提高达到>0.997,效率最高达到>93%,组成供电系统在3000安时均流度达到2%,高于部颁标准5%。为电子变压器行业提供了从小到大各种变压器和电感器的巨大的市场机遇。

  工业用开关电源在我国发展最快的包括三部分:(1)电力电源,包括蓄电池充电电源(直流充电屏)和操作电源,主要生产单位有河南许继、烟台东方电子、黑龙江哈尔滨的九洲、青岛的青整、浙江的青田、无锡的思达、北京动力环、江苏的大唐科源、武汉的电力仪表。也有进入电网的许可证问题,主要由国内生产。(2)电镀电解电源和传动电源,以前主要用晶闸管(可控硅)电源,效率低、功率因数低,现在已逐步改为晶体管(GBT和IGBT)直流开关电源,虽然现在生产量小,产值还不足10亿元,但是发展空间大,而且牵涉到传统工业改造及新建工为上水平问题,估计近十年内会迅速发展起来,使原来由晶闸管独占的变流器(电力电子)行业焕然一新。主要生产厂为西安的西整、上海的上整、北京的北变和北整、青岛的青整、保定的保整、厦门的厦整、柳州的柳整。也会使电气传动中的中小功率直流晶闸管传动电源更新换代。(3)电焊机电源,采用直流开关电源开发的中小型电焊机电源和特殊电焊机电源,在我国已形成一定规模,生产厂如北京的时代、广东的励进。由于可以大大减少体积和重量,显著的提高效率和功率因数,将会形成代替原来直流电焊机电源的新兴产业。工业用开关电源是比通讯用开关电源规模更大的市场,值得电子变压器行业对它们进行追踪和开发。

  办公设备、商业用、家用开关电源,在我国现阶段,大部分直接由主机厂配套生产,还没形成独立的产业,但是由于量大面广,对电子变压器的需求不可忽视。 

2、对电子变压器的要求

  直流开关电源在市场发展中主要追求的指标是效率高、体积小(轻薄短小)、成本低,因此对其中用的电子变压器,也主要是这几方面的要求。

2.1效率

  直流开关电源要求效率高的主要原因是节能和环保,也就是从“绿色电源”概念提出来的。因为节能后,由于直流开关电源量大面广,可以显著减少所需的电能,也就减少发电厂数量,减少发电厂排放的废气废水和灰潭对环境的污染。现在要求100W以下的小功率直流开关电源效率超过85%。中大功率直流开关电源效率超过90%。

  变压器和电感器的损耗一般占直流开关电源的15%左右。要求变压器效率超过95%~98%,其原因是要求减少直流开关电源的待机损耗。因为变压器的空载损耗和空载电流是造成待机损耗的主要原因之一。现在直流开关电源的待机损耗要求小于10%,因此,变压器空工损耗只能小于5%,最好小于2%。效率高,发热小,不可减少散热面积和体积。

2.2体积

  直流开关电源追求轻薄短小,是它在市场发展中的热门话题,其中变压器和电感器的小型化是最大的难点,受到国内外专家们的普遍关注。表示它的指标是功率密度,希望能达到100W/IN3以上。

  为了适应直流开关电源小型化的需要,首先是提高工作频率,其次是改变结构。工作频率提高到250KHZ,比20KHZ~40KHZ,功率密度会显著增加。但是高频损耗也显著增加,改用新的磁性材料和线圈结构来解决。高频电磁干扰也显著增加,采用抗干扰滤波器和低磁致伸缩材料来解决。现在最高的工作频率已达到25~30MHZ。1~2MHZ在小型直流开关电源中已比较普遍。

  变压器结构正经历三次更新换代。第一次是平面变压器、体积和重量比立体变压器(普通变压器)减少80%,已形成从5W至20KW20KHZ至2MHZ的产品,效率典型值为98%。第二次是片式变压器,对低压大电流特别适用,高度(厚度)更进一步降低,电流可达100安以上,采用一个次级绕组多个磁芯组成,代替以前的一个磁芯多个绕组。多个磁芯的初级绕组串联,从而达到降压隔离的要求。内部温升比平面变压器低,只有10℃左右。可以装在额定温升更高的基板上工作。第三次是薄膜变压器,采用薄膜后高度低于1MM。工作步率超过1MHZ,达到10~100MHZ。由于采用集成电路工艺制造,成本并不增加。是直流开关电源变压器的最新发展方向。之所以强调“正经历”,是因为在现阶段,不同的应用范围和市场,从性能价格比出发,要求的变压器结构形式也不一样。立体变压器仍然大量使用。平面变压器已形成系列,正在推广。片式变压器处于个别和小批量生产阶段。薄膜变压器只是个别情况,仍处于研究开发阶段。因此,电子变压器不单要关注研究开发的新变压器,而且更要关注大量生产的变压器。即使改进某个部件,某个工艺环节,也会取得良好的效益。

2.3成本

  直流开关电源和任何商品一样,在市场发展中都要考虑成本。作为它的部件的电子变压器也回避不了成本问题。为了降低电子变压器成本,第一个手段是设计,采用的原材料、结构形式对成本有决定性作用。因此在设计直流开关电源的电子变压器时,一定要综合考虑电源的工作条件,当时原材料的水平和价格,设计出性能满足要求成本最低的电子变压器产品。第二个手段是工艺,减少生产成本。尽量采用工模具和机械加工,减少加工工时。在检测中,采用短时间即可确认产品性能的方法,减少检查工时。加强管理,从备料到产品包装出厂,各个生产环节都尽量减少工时和费用。第三个手段是减少生产的附加费用。包括设计选用的原材料和配件尽可能通用,减少种类和降低库存量,以及尽快缩短交货时间减少产品成品库存量,还有对检测中被剔除的产品进行处理,回收能用的原材料和配件等等。

3、结语

  直流开关电源是电子变压器主要服务对象之一。直流开关电源市场在中国有比较大的发展。为了推进直流开关电源市场的发展,对电子变压器提出了高效率、小体积、低成本的要求。

摘自 《国际电源商情》
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