3. 

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	 > 模擬技術(shù) > 設計應用 > 從美國電源工業(yè)發(fā)展計劃看我國電源工業(yè)的發(fā)展
          
    
          

          

          


	
	
	

          
	
          
		
          
			
          從美國電源工業(yè)發(fā)展計劃看我國電源工業(yè)的發(fā)展
          
						
          
				作者：
				時間：2011-05-18
				來源：網(wǎng)絡
				
				
				
				
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          1美國電源市場預測　　美國開關(guān)電源商業(yè)市場是與臺式計算機、電話機產(chǎn)品市場同步發(fā)展的，隨著計算機通訊設備迅速、持續(xù)穩(wěn)定的增長及新的IT網(wǎng)絡產(chǎn)品市場的迅速增長，未來的電源市場是非常樂觀的?；趯DC'S“美國商業(yè)市場和機內(nèi)AC/DC開關(guān)電源及DC/DC變換器應用”研究報告的分析，基于對美國主要電源應用領(lǐng)域大、中型OEM的主要決策者和對美國大、中型電源制造廠市場部人員的調(diào)查，以及根據(jù)來自其它渠道的信息，文獻[1]對美國電源工業(yè)的過去、現(xiàn)在和將來的趨勢作了比較全面的綜述。
          　　當前美國電源工業(yè)市場的結(jié)構(gòu)和分布示于圖1
          從美國電源工業(yè)發(fā)展計劃看我國電源工業(yè)的發(fā)展
          　　圖1中所示電源制造廠生產(chǎn)的大多數(shù)電源是直接運給OEMS和分銷商的。目前增值轉(zhuǎn)賣商銷售量尚不大，但是將變得日漸重要起來。
          1.1AC/DC開關(guān)電源市場預測
          　?。?）額定功率按AC/DC開關(guān)電源的額定功率大小分類，各類電源市場占有比例及年增長率示于表1。251－500W電源在1992年占有比例21.5％，而到1996年卻下降到15.8％，近年來低功率及高功率電源占比例上升較快，其中1001－1500W電源消費增長率是最高的，預見年增長率可達16.5％，主要需求是非軍用的、商用的要求大量輸出電壓較低而輸出功率較高的AC/DC開關(guān)電源。
          表1按額定功率大小分類，AC/DC
          開關(guān)電源的市場（百萬美元）及年增長率
          功率范圍預計平均年增長率
          199619982001
          2000W以上
          1501－2000W
          1001－1500W
          751－1000W
          501－750W
          251－500W
          151－250W
          76－150W
          25－75W
          小于25W          		261.1
          189.4
          239.5
          196.7
          300.8
          425.2
          426.3
          274.8
          232.6
          125.3          		328.2
          234.8
          324.7
          251.4
          384.0
          542.7
          534.5
          347.4
          291.1
          152.2          		456.6
          325.2
          514.7
          364.4
          554.8
          785.4
          752.2
          495.8
          408.4
          204.1          		11.8％
          11.4％
          16.5％
          13.1％
          13.0％
          13.1％
          12.0％
          12.5％
          11.9％
          10.2％
          總計2,671.73,389.04,861.612.7
          　?。?）用戶應用領(lǐng)域
          　　按AC/DC開關(guān)電源的用戶應用領(lǐng)域分類，各類電源市場占有比例及年增長率示于表2。從表2數(shù)據(jù)可見，遠距離通訊和數(shù)字網(wǎng)絡交叉應用領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，包括發(fā)射裝置、專用交換機異步傳送開關(guān)（ATM）、遠程存取LAN設備、電視會議設備的發(fā)展，均會促進對機內(nèi)AC/DC開關(guān)電源的需求。因此。用于遠距離通訊和數(shù)據(jù)通訊機內(nèi)的AC/DC開關(guān)電源的年增長率可達15.1％。而計算機和辦公室自動化用的機內(nèi)AC/DC開關(guān)電源將繼續(xù)保持最大的消費份額，但是增長率將不如前者。在工業(yè)和儀表市場消費領(lǐng)域，國內(nèi)外對新型、先進醫(yī)療和實驗設備，包括醫(yī)用監(jiān)視器、通風和驗血設備用的AC/DC開關(guān)電源需求將日益增長。除此以外，工業(yè)過程控制機、操作控制臺、測試和測量儀器用的電源將在工業(yè)應用領(lǐng)域中占領(lǐng)先地位。與人們想象相反，軍用/航空領(lǐng)域?qū)C/DC電源的需求并未下降?？偟膩碚f，到2001年，對AC/DC開關(guān)電源的需求平均每年增長12.7％。
          圖1美國電源工業(yè)市場的結(jié)構(gòu)和分布
          表4按用戶應用領(lǐng)域分類，各類DC/DC
          開關(guān)電源市場占有比例及年增長率
          用戶應用領(lǐng)域預計平均年增長率
          199619982001
          遠程及數(shù)據(jù)通訊計算機/辦公自動化工業(yè)/儀器軍事/航天304.6277.185.078.1404.0363.1105.286.3618.0545.3145.2100.215.2％14.5％11.3％5.1％
          總計744.8958.61,408.713.6％
          表3按額定功率大小分類，DC/DC
          開關(guān)電源的市場（百萬美元）及年增長率
          功率范圍預計平均年增長率
          199619982001
          750W以上
          501－750W
          251－500W
          151－250W
          101－150W
          51－100W
          26－50W
          16－25W
          6－15W
          1－5W
          小于1W          		81.3
          70.0
          70.4
          91.3
          95.9
          130.2
          62.5
          51.0
          31.7
          43.3
          8.2          		99.6
          92.4
          94.51
          20.7
          118.7
          174.2
          80.5
          69.7
          42.7
          55.0
          10.6          		134.9
          140.7
          149.3
          184.5
          164.2
          244.5
          118.3
          111.3
          66.9
          78.8
          15.3          		10.7％
          15.0％
          16.2％
          15.1％
          11.4％
          11.0％
          13.6％
          16.9％
          16.1％
          12.7％
          13.3％
          總計744.8958.61,408.713.6％
          技術(shù)要求目前水平預計2002年水平
          成本0.25～0.6美元/W0.15～0.5美元/W
          功率密度2～4W/立方英寸3.5～6.0W/立方英寸
          輸出電壓3.3～50V2.5～50V
          可靠性（MTBF）5×105h（0.5兆小時）106h（1兆小時）
          控制200kHz，帶PFC400kHz，帶PFC
          功率拓撲兩級正激單級PFC/集成PFC
          其他　開關(guān)：MOSFETS（GaAs），快速恢復二極管反向恢復速度加快3～10倍磁性材料：磁損減小兩倍，高溫絕緣體電容器：高功率密度用塑料薄膜電容器，容量密度提高2～3倍組裝：混合組裝工藝，更多采用表面貼裝工藝
          表5500W以內(nèi)的AC/DC變換器技術(shù)的主要發(fā)展趨勢
          表2按用戶應用領(lǐng)域分類，各類AC/DC
          開關(guān)電源市場（百萬美元）及年增長率
          用戶應用領(lǐng)域預計平均年增長率
          199619982001
          計算機/辦公自動化
          遠程及數(shù)據(jù)通訊
          工業(yè)/儀器
          軍事/航天
          其它          		1,417.5
          761.9
          333.3
          124.4
          14.6          		1,807.1
          1,035.8
          399.8
          129.4
          16.9          		2,600.8
          1,579.9
          522.5
          137.3
          21.1          		12.9％
          15.1％
          9.4％
          2.0％
          7.5％
          總計2,671.73,389.04,861.612.7％
          1.2DC/DC變換器市場預測
          　?。?）功率定額按DC/DC開關(guān)電源的額定功率大小分類，各類電源市場占有比例及年增長率示于表3。從表3數(shù)據(jù)可見，51－250WDC/DC開關(guān)電源在過去四年中占的份額最大。由于微處理器的高速化，DC/DC開關(guān)電源由低功率向中功率方向發(fā)展是必然趨勢。一般說來，DC/DC開關(guān)電源在低功率范圍增長率最快，其中16－25WDC/DC開關(guān)電源的增長率最高，這是因為它們大量用于直流分布式電源，而直流分布式電源正廣泛地用于測試和測量設備、計算機顯示系統(tǒng)、堅固可靠的計算機和軍用通訊系統(tǒng)。251－500WDC/DC開關(guān)電源增長率則居于第二位，它們主要用于服務性的醫(yī)療和實驗室設備、工業(yè)控制設備、遠程通訊設備、多路通訊及其它發(fā)送設備。51－100WDC/DC開關(guān)電源在1996年占的份額最高，但預見增長率較低。
          　?。?）用戶應用領(lǐng)域按DC/DC開關(guān)電源的用戶應用領(lǐng)域分類，各類電源市場占有比例及年增長率示于表4。從表4數(shù)據(jù)可見，與AC/DC電源情況類似，DC/DC開關(guān)電源在遠程通訊和數(shù)字通訊領(lǐng)域，年增長率最高，達15.2％。
          2小功率變換器在今后五年內(nèi)的發(fā)展趨勢
          　　文獻[2]就美國10－25W及50－200WDC/DC變換器及500W以內(nèi)的AC/DC變換器三類變換器的技術(shù)、價格現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢作了綜合的對比，分別示于表5、表6、表7。從中我們可以看出，小功率變換器在今后五年內(nèi)的主要發(fā)展趨勢是：為適應超高速CPU芯片的迅速發(fā)展，DC/DC類變換器向低輸出電壓（最低將低到1.2V）、低成本、高輸出電流、高頻化（400～500kHz）、高功率密度、高可靠性（MTBF≥106h)、高效率的方向發(fā)展。
          3低壓大電流DC/DC變換器的技術(shù)方向
          　　如前所述，現(xiàn)代微處理器和一些超高速的超大規(guī)模集成電路芯片，如IntelPenitumPro等，要求運
          圖2交錯疊加型準方波抵消紋波的變換拓撲原理圖
          表610～25WDC/DC變換器技術(shù)的主要發(fā)展趨勢
          技術(shù)要求目前水平預計2002年水平
          成本0.25～0.5美元/W0.1～0.25美元/W
          輸入電壓9～12V1.5～12V
          輸出電壓3.3～12V－1.2,3.3V
          可靠性（MTBF）數(shù)兆小時數(shù)兆小時
          控制　同步整流器
          功率拓撲Buck/線性同步開關(guān)電容
          效率85％～90％>90％
          其他　磁性材料：鐵氧體貼裝在硅片上，鐵氧體上貼裝硅片電容器：新型的塑料電容器組裝：多芯片組裝
          行在低電壓（2.4～3.3V）、大電流（>13A)狀態(tài),而直流母線電壓通常為5～12V。這樣就對其供電電源(電壓調(diào)整模塊－VRM)提出了新的挑戰(zhàn)，見文獻[4]。要求VRM具有非?？焖俚呢撦d電流動態(tài)響應,在保證足夠小體積的同時,具有較高的效率。表8給出了現(xiàn)代微處理器對VRM有要求:
          表8現(xiàn)代微處理器對VRM的要求
          　目前將來
          輸出電壓2.1～3.5V1～3V
          負載電流0.3～13A1～50A
          允許輸出電壓的變化±5％±2％
          去耦電容器電流變化率1A/ns5A/ns
          　　為了使VRM具有快速的負載電流動態(tài)響應,傳統(tǒng)的解決辦法是VRM的輸出端并聯(lián)很多容量很大、等效串聯(lián)電阻很小的去耦電容器。顯然，該方法存在如下問題：
          　?。?）去耦電容器體積很大，而現(xiàn)代微處理器對VRM的體積有嚴格的要求；
          　?。?）去耦電容只能改善動態(tài)響應的最初階段，對后階段及總的動態(tài)響應時間沒有作用。
          　　為此，文獻[3]提出了一種交錯疊加型準方波抵消紋波的變換拓撲結(jié)構(gòu)。其原理如圖2所示。
          從美國電源工業(yè)發(fā)展計劃看我國電源工業(yè)的發(fā)展
          　　表9比較了該方案與傳統(tǒng)采用大容量去耦電容器方案的結(jié)果。結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)在保證要求輸出紋波的前提下，不但可以大大減小輸出電容器的容量，
          技術(shù)要求目前水平預計2002年水平
          成本0.25～1.0美元/W0.15～0.5美元/W
          功率密度54.3W/立方英寸(300W)>108.6W/立方英寸
          　29.6W/立方英寸(50W)>59.2W/立方英寸
          輸入電壓24,48V24V,48V
          輸出電壓3.3,5,15V－1.5,2.2,3.3,5,15V
          可靠性（MTBF）1～10Mh20Mh
          控制400～500kHz400～500kHz
          功率拓撲正激帶有源箝位正激帶有源箝位，雙正激
          效率85％～90％>90％
          其他　開關(guān)：MOSFETS（GaAs），導通電阻減小兩倍，較低的門極驅(qū)動電壓磁性材料：更多地采用集成磁心電容器：容量密度增加2～3倍組裝：增加模塊化，多芯片組裝
          而且能大大減小VRM的輸出濾波電感的電感量。
          表9與傳統(tǒng)大容量退耦電容器方案的比較結(jié)果
          　交錯疊加型準方波VRM傳統(tǒng)VRM
          總電容量1520μF7000μF
          輸出濾波電感的電感量320nH(×2)3.8μH
          動態(tài)電壓跌落100mV150mV
          除此而外，為了提高VRM的動態(tài)響應，還必須力求減小供電母線的引線電感。最有效的辦法是將VRM作成“裝在印制板上”的形式，直接裝在負載附近，而不采取集中電源供電的形式。另一方面，還要求VRM本身具有十分小的引線電感。為了保證VRM具有足夠高的效率，必須采用同步整流和漏感很小的平面超薄型的變壓器[3]。目前，美國能生產(chǎn)這類新型DC/DC變換器—VRMs（VoltageRegulatorModules）的生產(chǎn)廠主要有Astec,Celestica和VXI。
          　　此外，未來的開關(guān)電源系統(tǒng)中另一個迅速發(fā)展的趨向是集成功率保護系統(tǒng)—IPPS（IntegratedPowerProtectionSystem）。目前，在這個市場做得最好的公司是加拿大的Amsdell公司，它的新工藝使成本減到可與PS/2電源相比擬。
          4對我國電源行業(yè)發(fā)展的幾點思考
          　　鑒于前面對美國電源工業(yè)發(fā)展計劃的綜述和分析，我們可以得到許多有益的啟示，特別是對我國電源行業(yè)今后的發(fā)展趨向，可以作一番認真的思考：
          　?。?）到2001年，美國開關(guān)電源的市場仍以百分之十幾的平均年增長率發(fā)展，而我國目前還是一個發(fā)展中國家，我國的開關(guān)電源市場還遠未開拓，相控電源仍在我國電源工業(yè)中占有相當大的比例。我們認為，從長遠及戰(zhàn)略的觀點看，利用PWM技術(shù)的電源最終必將取代各類相控電源。所以，集中力量自行開發(fā)、生產(chǎn)國產(chǎn)開關(guān)電源，全力開拓和占領(lǐng)我國國內(nèi)的開關(guān)電源市場，必須引起我們足夠的重視，以免重蹈國內(nèi)的中小功率通用型變頻器市場幾乎全為國外產(chǎn)品占領(lǐng)的復轍。
          　?。?）從分析美國生產(chǎn)的各類開關(guān)電源可以看出，小功率（1～2kW以下）的開關(guān)電源在美國電源工業(yè)總產(chǎn)值中占有相當大的比例。因此，我們應當全力加強對小功率開關(guān)電源的研究、開發(fā)和組織規(guī)模生產(chǎn)，以迅速形成我國自己的開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)。
          　?。?）小功率開關(guān)電源是一種技術(shù)含量較高的電力電子產(chǎn)品。高可靠性是第一位重要的指標，其次EMI、PFC、效率、體積、重量和成本等指標，也是我們自己生產(chǎn)的產(chǎn)品能否參與國際市場競爭的重要因素。為此，提高我國電源行業(yè)的技術(shù)、生產(chǎn)隊伍的素質(zhì)變得非常重要和刻不容緩。
          　?。?）在開發(fā)和發(fā)展電源產(chǎn)業(yè)過程中，必須同步發(fā)展高頻磁性材料、元件以及模塊制造技術(shù)，它們的研究、開發(fā)和生產(chǎn)對我國形成開關(guān)電源產(chǎn)業(yè)的關(guān)系十分密切，不能掉以輕心。
                     
				
            
                
			
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