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说说工业开关电源需求两极发展,五大阵营各出奇招
来源:开关电源  时间:2016-03-29 10:21 浏览:

    如今,开关电源已经成为一个重要的基础的产品。在中国,工业开关电源市场集中度较高,行业前10家企业所占市场份额高达76.1%。其中,两家公司的市场占有率最高的,有明纬和西门子。目前工业开关电源市场中平板开关电源、导轨开关电源领域的代表性企业,成为工业开关电源企业竞争的核心。工业开关电源市场需求两极化明显,高端产品和低端产品需求量均较大,而中端产品需求较低。

  根据各企业的市场份额及产品档次,工业开关电源市场可分成5大竞争阵营:

  第一阵营:目前只有明纬一家,产品定位于中低端市场,开关电源的市场份额超过21.4%;明纬增速较低,市场份额有所缩小。

  第二阵营:主要包括西门子、菲尼克斯和朝阳,产品主要定位于高端市场。3家企业占开关电源整体市场的24.2%。其中,西门子、菲尼克斯是自动化领域的领先企业,电源产品与其自动化产品连带销售的优势比较明显;朝阳以定制业务为主,在轨道交通领域有比较高的市场占有率。朝阳增长速度有所降低,西门子和菲尼克斯的增速要高于行业整体增速。

  第三阵营:主要包括LAMBDA、德创、欧姆龙、衡孚和创联,产品主要定位于中端至低端市场,5家企业占 开关电源整体市场的29.8%。其中,LAMBDA为全球开关电源最大的生产厂家之一,市场知名度较高;衡孚在 工业开关电源低端市场有较大的知名度;德创长期专注于电力自动化领域,在电力领域市场占有率较高,第三阵营市场份额变化不大。

  第四阵营:产品主要定位于高端及中高端市场,该阵营多数企业为外资品牌,行业主要8家企业占开关电源整体市场的9.3%;第四阵营大部分企业的增长速度要高于整体市场增速,因此该阵营市场份额有所增长。

  第五阵营:产品主要定位于中端至低端市场,行业主要10家企业占 开关电源整体市场的10.2%。第五阵营大部分企业的增长速度低于整体市场增速,甚至零增长或负增长,因此该阵营市场份额有所减小。

  工业开关电源市场需求两极化明显,高端产品和低端产品需求量均较大,而中端产品需求较低。工业开关电源市场中,高端产品约占整个市场份额的24.9%,低端产品约占整个市场份额的37.3%,而中高端、中端、中低端等产品的各自市场份额均比较低。造成这种现象是因为工业开关电源应用领域的不同需求,如电力、轨道交通、石化、冶金等领域对高端工业开关电源的需求较大,而机械领域的大部分企业主要采购低端工业开关电源。中端产品目前的需求领域主要是一些中小型的电厂、电力设备、重型机械、石化设备等。

  剖析开关电源技术的四大趋势

  目前中国制造的开关电源占了世界市场的80%,但是高端市场上几乎没有我们的份额。我国目前能源紧缺,而电源行业又是一个与能源消耗密切相关的行业,所以需要政府以及学会团体应该在几个方面给电源的发展方向作出指导。

  一、非隔离DC/DC技术迅速发展

  近年来,非隔离DC/DC技术发展迅速。目前一套电子设备或电子系统由于负载不同,会要求电源系统提供多个电压挡级。如台式PC机就要求有+12V+5V+3.3V-12V四种电压以及待机的+5V电压,主机板上则需要2.5V1.8V1.5V甚至1V等。一套AC/DC中不可能给出这样多的电压输出,而大多数低压供电电流都很大,因此开发了很多非隔离的DC/DC,它们基本上可以分成两大类。一类在内部含有功率开关元件,称DC/DC转换器。另一类不含功率开关,需要外接功率MOSFET,称DC /DC控制器。按照电路功能划分,有降压的STEP-DOWN、升压的BOOST,还有能升降压的BUCK-BOOSTSEPIC等,以及正压转成负压的INVERTOR等。其中品种最多,发展最快的还是降压的STEP-DOWN。根据输出电流的大小,分为单相、两相及多相。控制方式上以PWM为主,少部分为PFM

  在非隔离的DC/DC转换技术中,TI公司的预检测栅驱动技术采用数字技术控制同步BUCK,采用这种技术的DC/DC 转换效率最高可以达到97%,其中TPS40071等是其代表产品。BOOST升压方式也出现了采用MOSFET代替二极管的同步BOOST的产品。在低压领域,增加效率的幅度很大,而且正在设法进一步消除MOSFET的体二极管的导通及反向恢复问题。

  二、开关电源吹响数字化号角

  目前在整个的电子模拟电路系统中,电视、音响设备、照片处理、通讯、网络等都逐步实现了数字化,而最后一个没有数字化的堡垒就是电源领域了。近年来,数字电源的研究势头不减,成果也越来越多。在电源数字化方面走在前面的公司有TIMicrochipTI公司既有DSP方面的优势,又兼并了PWMIC 专业制造商UNITRODE公司,该公司已经用TMS320C28F10制成了通讯用的48V输出大功率电源模块,其中PFCPWM部分完全为数字式控制。现在,TI公司已经研发出了多款数字式PWM控制芯片。目前主要是UCD7000系列、UCD8000系列和UCD9000系列,它们将成为下一代数字电源的探路者。它们总体上既包括硬件部分,还要做软件编程。硬件部分包括PWM的逻辑部分、时钟、放大器环路的模数转换、数模转换以及数字处理、驱动,同步整流的检测和处理等。

  目前在电源领域里的竞争主要还是性能价格的竞争,所以数字电源还有很长的路要走,然而电源领域的数字化的号角已经吹响了。

  三、初级PWM控制IC不断优化

  有源箝位技术历经十余年经久不衰,自从2002VICOR公司此项专利技术到期解禁之后,各家公司开发的新型有源箝位控制IC如雨后春笋般涌现,给用户提供了充分的选择。

  控制早期有源箝位控制技术的TI,不仅保持了原有的UCC3580系列,又新开发了性能更优越的UCC2891-94,它采用电流型控制方式,综合了高边箝位、低边箝位两种控制方案,给出了全新的控制技巧。OnSemi先推出了低压(100V)有源箝位的NCP1560控制芯片,随后又推出了高压应用的控制芯片NCP1280,它既解决了LCDTV等离子TV电源的要求,现在又直指下一代无风扇的PC机电源。

  美国NS公司的5000系列中专门有一款LM5025的有源箝位控制IC,连名不见经传的Semtech公司也给出了有源箝位的控制芯片,型号是SC4910,可见其背后蕴藏着巨大的市场商机。直到最近TI公司又推出的有源箝位控制ICUCC2897,已经将有源箝位的PWM控制做到了完美无缺。而台商飞兆公司则给出了最廉价的有源箝位控制IC,即SD7558SD7559

  在大功率领域,全桥移相ZVS软开关技术在解决开关电源的效率上功不可没。从TI公司的UC3875UCC3895,再从Linear公司的LTC1922LTC3722增加了自适应检测技术,使全桥移相技术达到了顶峰。然而,在同步整流技术普遍应用的今天,它却无法实现最佳的ZVS同步整流。因为全桥移相电路在本质上是属于非对称的,它无法实现完全的ZVS同步整流,由于其开启和关断过程总有一半是硬开关,因而效率比不上对称电路拓扑的ZVS方式的同步整流。最新的科技成果应该是 INTERSIL公司推出的PWM对称全桥的ZVS控制IC-ISL6752。它既能控制初级侧的四个MOS开关为ZVS工作状态,又能准确地给出控制二次侧的同步整流为ZVS工作状态的驱动信号。采用这颗IC制作的400WDC/DC再加上先进的功率MOSFET,转换效率可达到95%

  对于小功率的开关电源,则仍旧是反激变换器的PWM控制IC,但是它必须要能很好地解决二次侧的同步整流的控制方式。OnSemi公司的NCP1207 NCP1377是高压AC/DC领域的佼佼者。若能再配上TI公司的反激变换器的同步整流控制IC-UCC27226,则能使它们成为几乎完美无瑕的高效率电源。低压DC/DC领域中的反激变换器控制IC中,Linear公司的LTC3806则是上乘之作。LTC3806不仅能控制好PWM,还给出准确的二次侧同步整流驱动信号,是低压小功率电源控制IC的杰作。

  综上所述,开关电源设计时可以选择最佳控制方式和最佳电路拓扑。大功率应该是全桥ZVS加上二次侧ZVS同步整流,典型控制ICISL6752;中等功率到小功率应该是有源箝位正激变换ZVS软开关配上二次侧的预检测栅驱动技术的同步整流;而小功率应该是配好同步整流的反激变换。当然,这里没有绝对的界限,只是不同的条件下应该有相应的最佳选择。

  四、同步整流技术实现高效

  从上世纪90年代末期同步整流技术诞生以来,开关电源技术得到了极大的发展,采用IC控制技术的同步整流方案已经为研发工程师普遍接受,现在的同步整流技术都在努力实现ZVSZCS方式的同步整流。

  从2002年美国银河公司发表了ZVS同步整流技术之后,现在已经得到了广泛应用。这种方式的同步整流系巧妙地将二次侧驱动同步整流的脉冲信号调为比一次侧的PWM脉冲信号的上升沿超前,下降沿滞后的方法实现了同步整流MOSZVS方式工作。最新问世的双输出式PWM控制IC几乎都在控制逻辑内增加了对二次侧实现ZVS同步整流的控制端子。例如:Linear公司的LTC3722LTC3723INTERSIL公司的ISL6752等。这些IC不仅努力解决好初级侧功率MOSFET的软开关,而且着力解决好二次侧的ZVS方式的同步整流,转换效率可达94%以上。

  在非对称的开关电源电路拓扑中,特别是对于性能良好的正激电路或正激有源箝位电路,在二次侧的同步整流中,为了实现ZVS方式的同步整流,消除MOSFET体二极管的导通损耗和反向恢复时间带来的损耗,TI公司的专利技术“预检测栅驱动技术”在控制芯片中增加了大量的数字控制技术,正激电路同步整流的控制芯片 UCC27228的诞生使正激电路的效率达到了前所未有的高效率。

  再配合好初级侧的有源箝位技术之后,使这种最新的电路模式既做到了初级侧的软开关ZVS方式工作,又解决了磁芯复位及能量回馈,减轻了功率 MOSFET的电压应力,还做到了二次侧的ZVS最佳状态的同步整流,综合使用这两项技术的中小功率的DC/DC变换器,其效率都在94%以上,功率密度也都能达到200W/in以上。

  高频开关电源的发展趋势

  在电力电子技术的应用及各种电源系统中,开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术,通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力操作电源等)的核心技术。

  1.高频化

  理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5~l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造, 成为“开关变换类电源”,其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。

  2.模块化

  模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化” 功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。另外,大功率的开关电源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑,一般采用多个独立的模块单元并联工作,采用均流技术,所有模块共同分担负载电流,一旦其中某个模块失效,其它模块再平均分担负载电流。这样,不但提高了功率容量, 在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求, 而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。

  3. 数字化

  在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容 (EMC)问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。

  4.绿色化

  电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电, 这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555IEC917IECl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。这些为2l世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。

  现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下,由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性,使器件性能对开关电源性能的影响减至最小,新型的电源电路拓扑和新型的控制技术,可使功率开关工作在零电压或零电流状态,从而可大大的提高工作频率,提高开关电源工作效率,设计出性能优良的开关电源。

  总而言之,电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的发展,以开关电源技术为核心的通信用开关电源,仅国内有20多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。

  专家观点:能源紧缺急需节能政策出台

  目前中国制造的开关电源占了世界市场的80%,但是高端市场上几乎没有我们的份额。我国目前能源紧缺,而电源行业又是一个与能源消耗密切相关的行业,所以需要政府以及学会团体应该在几个方面给电源的发展方向作出指导。

  首先,彩电电源的空载功耗。在城市里很多家庭晚上看完电视后,采用遥控关断的方法关机,使电力白白消耗。这时彩电的空载损耗多在3.5W以上,欧洲标准是小于1W,日本标准是小于0.6W

  第二,国内各个家电厂商对于电源的效率要求不高,只要求价格。例如,DVD生产商在外配电源适配器时,宁可选择转换效率不足80%,空载损耗1.5W49元一台的适配器,却不愿意选择转换效率90%以上,空载损耗《0.6W59元一台的适配器。

  目前,我们国家的石油进口已经超过50%,仍旧是缺油大国,如果私家车再多一些,我们到哪里去弄石油?是否该用法律及政策去鼓励企业和工程师多开发和生产高效率的电源呢?

 

 

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