從美國電源工業(yè)發(fā)展計(jì)劃看我國電源工業(yè)的發(fā)展趨勢
1 美國電源市場預(yù)測
美國開關(guān)電源商業(yè)市場是與臺(tái)式計(jì)算機(jī)、電話機(jī)產(chǎn)品市場同步發(fā)展的，隨著計(jì)算機(jī)通訊設(shè)備迅速、持續(xù)穩(wěn)定的增長及新的IT網(wǎng)絡(luò)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(jī)內(nèi)AC/DC開關(guān)電源及DC/DC變換器應(yīng)用”研究報(bào)告的分析，基于對美國主要電源應(yīng)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(xiàn)[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(dāng)前美國電源工業(yè)市場的結(jié)構(gòu)和分布示于圖1
圖1中所示電源制造廠生產(chǎn)的大多數(shù)電源是直接運(yùn)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。
1.1 AC/DC開關(guān)電源市場預(yù)測
�。�1）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(fèi)增長率是較高的，預(yù)見年增長率可達(dá)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(yù)計(jì) | 平均年增長率 | ||
|---|---|---|---|---|
| 1996 | 1998 | 2001 | ||
| 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(jì) | 2,671.7 | 3,389.0 | 4,861.6 | 12.7 |
�。�2）用戶應(yīng)用領(lǐng)域
按AC/DC開關(guān)電源的用戶應(yīng)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(yuǎn)距離通訊和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)交叉應(yīng)用領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，包括發(fā)射裝置、專用交換機(jī)異步傳送開關(guān)（ATM）、遠(yuǎn)程存取LAN設(shè)備、電視會(huì)議設(shè)備的發(fā)展，均會(huì)促進(jìn)對機(jī)內(nèi)AC/DC開關(guān)電源的需求。因此。用于遠(yuǎn)距離通訊和數(shù)據(jù)通訊機(jī)內(nèi)的AC/DC開關(guān)電源的年增長率可達(dá)15.1％。而計(jì)算機(jī)和辦公室自動(dòng)化用的機(jī)內(nèi)AC/DC開關(guān)電源將繼續(xù)保持較大的消費(fèi)份額，但是增長率將不如前者。在工業(yè)和儀表市場消費(fèi)領(lǐng)域，國內(nèi)外對新型、先進(jìn)醫(yī)療和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，包括醫(yī)用監(jiān)視器、通風(fēng)和驗(yàn)血設(shè)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(jī)、操作控制臺(tái)、測試和測量儀器用的電源將在工業(yè)應(yīng)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。總的來說，到2001年，對AC/DC開關(guān)電源的需求平均每年增長12.7％。
表2按用戶應(yīng)用領(lǐng)域分類，各類AC/DC開關(guān)電源市場占有比例及年增長率
|
用戶應(yīng)用領(lǐng)域 |
預(yù)計(jì) |
平均年增長率 | ||
|
1996 |
1998 |
2001 | ||
|
遠(yuǎn)程及數(shù)據(jù)通訊計(jì)算機(jī)/辦公自動(dòng)化工業(yè)/儀器軍事/航天 |
304.6277.185.078.1 |
404.0363.1105.286.3 |
618.0545.3145.2100.2 |
15.2％14.5％11.3％5.1％ |
|
總計(jì) |
744.8 |
958.6 |
1,408.7 |
13.6％ |
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(yù)計(jì) | 平均年增長率 | ||
|---|---|---|---|---|
| 1996 | 1998 | 2001 | ||
| 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(jì) | 744.8 | 958.6 | 1,408.7 | 13.6％ |
表4按用戶應(yīng)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
| 技術(shù)要求 | 目前水平 | 預(yù)計(jì)2002年水平 |
|---|---|---|
| 成本 | 0.25～0.6美元/W | 0.15～0.5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 | 3.3～50V | 2.5～50V |
| 可靠性（MTBF） | 5×105h（0.5兆小時(shí)） | 106h（1兆小時(shí)） |
| 控制 | 200kHz，帶PFC | 400kHz，帶PFC |
| 功率拓?fù)?/TH> | 兩級(jí)正激 | 單級(jí)PFC/集成PFC |
| 其他 | 開關(guān)：MOSFETS（GaAs），快速恢復(fù)二極管反向恢復(fù)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 |
1.2 DC/DC變換器市場預(yù)測
�。�1）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較大。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較快，其中16－25WDC/DC開關(guān)電源的增長率較高，這是因?yàn)樗鼈兇罅坑糜谥绷鞣植际诫娫�，而直流分布式電源正廣泛地用于測試和測量設(shè)備、計(jì)算機(jī)顯示系統(tǒng)、堅(jiān)固可靠的計(jì)算機(jī)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(wù)性的醫(yī)療和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、工業(yè)控制設(shè)備、遠(yuǎn)程通訊設(shè)備、多路通訊及其它發(fā)送設(shè)備。51－100WDC/DC開關(guān)電源在1996年占的份額較高，但預(yù)見增長率較低。
�。�2）用戶應(yīng)用領(lǐng)域按DC/DC開關(guān)電源的用戶應(yīng)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(yuǎn)程通訊和數(shù)字通訊領(lǐng)域，年增長率較高，達(dá)15.2％。
2 小功率變換器在今后五年內(nèi)的發(fā)展趨勢
文獻(xiàn)[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(jià)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(yīng)超高速CPU芯片的迅速發(fā)展，DC/DC類變換器向低輸出電壓（較低將低到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。
表5500W以內(nèi)的AC/DC變換器技術(shù)的主要發(fā)展趨勢開關(guān)電源市場（百萬美元）及年增長率
| 用戶應(yīng)用領(lǐng)域 | 預(yù)計(jì) | 平均年增長率 | ||
|---|---|---|---|---|
| 1996 | 1998 | 2001 | ||
| 計(jì)算機(jī)/辦公自動(dòng)化 遠(yuǎn)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(jì) | 2,671.7 | 3,389.0 | 4,861.6 | 12.7％ |
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(yù)計(jì)2002年水平 |
|---|---|---|
| 成本 | 0.25～0.5美元/W | 0.1～0.25美元/W |
| 輸入電壓 | 9～12V | 1.5～12V |
| 輸出電壓 | 3.3～12V | －1.2,3.3V |
| 可靠性（MTBF） | 數(shù)兆小時(shí) | 數(shù)兆小時(shí) |
| 控制 | 同步整流器 | |
| 功率拓?fù)?/TH> | 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 |
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(yùn)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(xiàn)[4]。要求VRM具有非�？焖俚呢�(fù)載電流動(dòng)態(tài)響應(yīng),在保證足夠小體積的同時(shí),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 | 2.1～3.5V | 1～3V |
| 負(fù)載電流 | 0.3～13A | 1～50A |
| 允許輸出電壓的變化 | ±5％ | ±2％ |
| 去耦電容器電流變化率 | 1A/ns | 5A/ns |
為了使VRM具有快速的負(fù)載電流動(dòng)態(tài)響應(yīng),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：
�。�1）去耦電容器體積很大，而現(xiàn)代微處理器對VRM的體積有嚴(yán)格的要求；
�。�2）去耦電容只能改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)的較初階段，對后階段及總的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間沒有作用。
為此，文獻(xiàn)[3]提出了一種交錯(cuò)疊加型準(zhǔn)方波抵消紋波的變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其原理如圖2所示。
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，而且能大大減小VRM的輸出濾波電感的電感量。
| 技術(shù)要求 | 目前水平 | 預(yù)計(jì)2002年水平 |
|---|---|---|
| 成本 | 0.25～1.0美元/W | 0.15～0.5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 | 24,48V | 24V,48V |
| 輸出電壓 | 3.3,5,15V | －1.5,2.2,3.3,5,15V |
| 可靠性（MTBF） | 1～10Mh | 20Mh |
| 控制 | 400～500kHz | 400～500kHz |
| 功率拓?fù)?/TH> | 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(dǎo)通電阻減小兩倍，較低的門極驅(qū)動(dòng)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 |
表9與傳統(tǒng)大容量退耦電容器方案的比較結(jié)果
| 交錯(cuò)疊加型準(zhǔn)方波VRM | 傳統(tǒng)VRM | |
|---|---|---|
| 總電容量 | 1520μF | 7000μF |
| 輸出濾波電感的電感量 | 320nH(×2) | 3.8μH |
| 動(dòng)態(tài)電壓跌落 | 100mV | 150mV |
除此而外，為了提高VRM的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，還必須力求減小供電母線的引線電感。較有效的辦法是將VRM作成“裝在印制板上”的形式，直接裝在負(fù)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(gè)迅速發(fā)展的趨向是集成功率保護(hù)系統(tǒng)—IPPS（IntegratedPowerProtectionSystem）。目前，在這個(gè)市場做得較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(diǎn)思考
鑒于前面對美國電源工業(yè)發(fā)展計(jì)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(rèn)真的思考：
（1）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(gè)發(fā)展中國家，我國的開關(guān)電源市場還遠(yuǎn)未開拓，相控電源仍在我國電源工業(yè)中占有相當(dāng)大的比例。我們認(rèn)為，從長遠(yuǎn)及戰(zhàn)略的觀點(diǎn)看，利用PWM技術(shù)的電源較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(fù)轍。
�。�2）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(dāng)大的比例。因此，我們應(yīng)當(dāng)全力加強(qiáng)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)。
�。�3）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(biāo)，其次EMI、PFC、效率、體積、重量和成本等指標(biāo)，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(duì)伍的素質(zhì)變得非常重要和刻不容緩。
�。�4）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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