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东莞天驰机电分析开关电源的发展方向


发展方向

开关电源高频化是其发展的方向,高频化使开关电源小型化,并使开关电源进入更广泛的应用领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了开关电源的发展前进,每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类,DC/DC变换器现已实现模块化,且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化,并已得到用户的认可,但AC/DC的模块化,因其自身的特性使得在模块化的进程中,遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。另外,开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET、变压器。

SCR在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用,GTR驱动困难,开关频率低,逐渐被IGBT和MOSFET取代。

开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。
由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化,因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件,特别是改善二次整流器件的损耗,并在功率铁氧体材料上加大科技创新,以提高在高频率和较大磁通密度(Bs)下获得高的磁性能,而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展,在电路板两面布置元器件,以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新,实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术,并大幅提高了开关电源的工作效率。对于高可靠性指标,美国的开关电源生产商通过降低运行电流,降低结温等措施以减少器件的应力,使得产品的可靠性大大提高。

模块化是开关电源发展的总体趋势,可以采用模块化电源组成分布式电源系统,可以设计成N+1冗余电源系统,并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点,若单独追求高频化其噪声也必将随着增大,而采用部分谐振转换电路技术,在理论上即可实现高频化又可降低噪声,但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题,故仍需在这一领域开展大量的工作,以使得该项技术得以实用化。

电力电子技术的不断创新,使开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国开关电源产业的发展速度,就必须走技术创新之路,走出有中国特色的产学研联合发展之路,为我国国民经济的高速发展做出贡献。

随着电力电子技术的高速发展,电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切,而电子设备都离不开可靠的电源,进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化,率先完成计算机的电源换代,进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域,程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源,促进了开关电源技术的迅速发展。现在,数字电视、LED、IT、安防、高铁、智能工厂等新兴领域的智能化应用也将大大推进开关电源市场的发展。

开关电源模块是新一代的开关电源产品,主要应用于民用、工业和军用等众多领域,包括交换设备、接入设备、移动通讯、微波通讯以及光传输、路由器等通信领域和汽车电子、航空航天等。由于采用模块组建电源系统具有设计周期短、可靠性高、系统升级容易等特点,模块电源的应用越来越广泛。尤其近几年由于数据业务的飞速发展和分布式供电系统的不断推广,模块电源的增幅已经超出了一次电源。

一、功率密度没有最高只有更高

随着半导体工艺、封装技术和高频软开关的大量使用,模块电源功率密度越来越大,转换效率越来越高,应用也越来越简单。目前的新型转换及封装技术可使电源的功率密度超过(50W/cm3),比传统的电源功率密度增大不止一倍,效率可超过90.如Vicor公司近期宣布推出首个ChiP(ConverterhousedinPackage)平台功率器件模块。这款新的ChiP总线转换器模块(BCM),可在48V输出提供功率高达1.2kW,峰值效率98,功率密度达1,880W/in3(115W/cm3)。突破性的性能,较目前市场上供应的同类型转换器功率密度高4倍,让数据中心、电信和工业等应用领域构建有效的高压直流配电基础设施。

二、低压大电流

随着微处理器工作电压的下降,模块电源输出电压亦从以前的5V降到了现在的3.3V甚至1.8V,业界预测,电源输出电压还将降到1.0V以下。与此同时,集成电路所需的电流增加,要求电源提供较大的负载输出能力。对于1V/100A的模块电源,有效负载相当于0.01,传统技术难以胜任如此高难度的设计要求。在10m负载的情况下,通往负载路径上的每m电阻都会使效率下降10,印制电路板的导线电阻、电感器的串联电阻、MOSFET的导通电阻及MOSFET的管芯接线等对效率都有影响。

三、数字控制技术大量采用

使用数字信号控制(DSC)技术对电源的闭环反馈实施控制,并形成与外界的数字化通讯接口,采取数字控制技术的模块电源是模块电源行业未来发展的新趋势,目前产品还很少,多数模块电源企业不掌握数字控制的模块电源技术,国际整流器公司(IR)亚太区销售副总裁潘大伟认为从业界发展来看,在众多应用中,提升能效的要求将在未来一年里推动电源管理IC的需求。数字电源管理经历了数年的缓慢发展后,现在已经进入了快速发展的阶段。未来10年里,对于能效产品的重点研究将有望推动DC-DC转换器等应用采纳数字电源管理。

四、智能功率模块开始走热

智能功率模块(IPMIntelligentPowerModule)不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起。而且还内藏有过电压,过电流和过热等故障检测电路,并可将检测信号送到CPU.它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当,也可以保证IPM自身不受损坏。IPM一般使用IGBT作为功率开关元件,内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。IPM以其高可靠性,使用方便赢得越来越大的市场,尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源,是变频调速,冶金机械,电力牵引,伺服驱动,变频家电的一种非常理想的电力电子器件。

统计数据显示从2004年至2010年每年全球开关电源市场销售额平均保持了15左右的幅度增长,据预测,2015年中国电源产业产值将达到2156亿元,开关电源产值将达到1875亿元。2011-2015年年均复合增长13.39!开源电源市场虽然前景诱人,但目前高端市场主要为国际品牌掌握,本土品牌需要在产品细节设计、质量控制、可靠性方面继续加强,方能掘金这个大市场。

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