直流開關電源市場蓬勃發展 ---電子變壓器技術日新月異(圖)
2005/8/14 23:12:37
北京法雷德科技有限公司 供稿
1、直流開關電源市場的發展
直流開關電源是各種電源中應用范圍和市場最大的一種，包括從交流輸入變為直流輸出的“開關整流器”和從直流輸入變為直流輸出的“直流變換器”。直流開關電源經過幾十年的發展，集中了許多高新技術，包括高頻開關技術、軟開關技術、功率因數校正技術、同步整流技術、智能化技術、表面安裝技術，已經形成高工作頻率、高效率、高功率密度、高可靠性等為特征的現代直流開關電源。
直流開關電源的應用范圍和市場比較大，按日本電子機械工業協會開關電源專業委員會的分類方法，包括：(1)各種電子計算機、中央處理器、存儲裝置用開關電源；(2)計算機外圍終端設備，輸入輸出裝置用開關電源；(3)有線通訊設備、程控交換機、戶內通訊設備用開關電源；(4)無線通訊設備、發送設備、移動通訊設備用開關電源；(5)工廠自動化、機器人、數控機床、空調設備、電力控制設備用開關電源；(6)自動售貨機、現金自動交付機、現金自動存儲機用開關電源；(7)顯示器、示波器用開關電源；(8)醫療設備、試驗儀器、汽車電子、液晶顯示裝置用開關電源；(9)文字書寫機、個人計算機、傳真機用開關電源；(10)復印機、速印機用開關電源；(11)電視機、錄像機用開關電源；(12)游戲機用開關電源；(13)數字音響、電子樂器用開關電源；(14)磁帶錄音機、立體聲錄放機用開關電源；(15)插頭式開關電源、充電器用開關電源和住宅設備用開關電源。之所以分得這樣細的原因是日本的直流工關電源市場占世界的50%~45%，品種多、用量大，可以針對各自不同的要求進行設計，有利于追求最佳性能和最低成本。
在我國，直流開關電源市場的發展不及日本那樣快、那樣大、那樣廣，粗略的分為計算機用開關電源、通訊用開關電源、工業用開關電源、辦公設備用開關電源、商業用開關電源和家用開關電源等六大領域來分析。
我國2000年的直流開關電源產值比1999年增長了15%左右，約占世界開關電源總產值的4.6%(不包括外資企業)。如果包括外資企業，將達到50%左右。因為世界排名1、2、4、5的直流開關電源廠和世界最大的計算機開關電源廠都設在我國珠江三角洲。同時，在蘇州為中心的長江三角洲和廈門附近的閩南地區，也相繼形成了直流開關電源生產基地。
從2000年起，計算機在我國的銷售市場迅速擴大，據不完全統計，已超過2500億元。計算機主要是國外品牌，與之配套的計算機用開關電源也主要是由外資企業和國外供應。但是計算機用開關電源的變壓器和電感器已逐漸轉向國內生產，出現一批磁芯生產廠和電子變壓器生產廠。
通訊電源由于受進網限制，大部分由國內生產。其中大公司，如廣東的中興、安盛、上海的中達一斯米克、煙臺的東方電子，約占市場的25%；原電子部、郵電部屬企業，如武漢的洲際、廣東的珠江、北京的動力源、石家莊的亞澳，約占市場的15%；在最近幾年發展起來的新企業，如河南許繼、廣東珠海的泰坦、北京的通力環，約占市場的15%；中外合資企業，如上海西門子，新電元，北京愛立信，桂林中志，約占市場的20%；以民營科技為主的中小企業，如江蘇大唐科源等，約占市場的6%左右；還有幾十人以下的個體企業，估計在全國超過1000家，約占市場的20%。這樣，大中小齊上陣，中外企業都來爭奪中國通訊電源市場，形成競爭十分激烈的局面，從而使通訊用開關電源在中國發展非常迅速。開關整流器已從48伏50安發展為48伏100安和200安，工作頻率從40KHZ提高為100~250KHZ，普通采用軟開關技術，功率因數提高達到＞0.997，效率最高達到＞93%，組成供電系統在3000安時均流度達到2%，高于部頒標準5%。為電子變壓器行業提供了從小到大各種變壓器和電感器的巨大的市場機遇。
工業用開關電源在我國發展最快的包括三部分：(1)電力電源，包括蓄電池充電電源(直流充電屏)和操作電源，主要生產單位有河南許繼、煙臺東方電子、黑龍江哈爾濱的九洲、青島的青整、浙江的青田、無錫的思達、北京動力環、江蘇的大唐科源、武漢的電力儀表。也有進入電網的許可證問題，主要由國內生產。(2)電鍍電解電源和傳動電源，以前主要用晶閘管(可控硅)電源，效率低、功率因數低，現在已逐步改為晶體管(GBT和IGBT)直流開關電源，雖然現在生產量小，產值還不足10億元，但是發展空間大，而且牽涉到傳統工業改造及新建工為上水平問題，估計近十年內會迅速發展起來，使原來由晶閘管獨占的變流器(電力電子)行業煥然一新。主要生產廠為西安的西整、上海的上整、北京的北變和北整、青島的青整、保定的保整、廈門的廈整、柳州的柳整。也會使電氣傳動中的中小功率直流晶閘管傳動電源更新換代。(3)電焊機電源，采用直流開關電源開發的中小型電焊機電源和特殊電焊機電源，在我國已形成一定規模，生產廠如北京的時代、廣東的勵進。由于可以大大減少體積和重量，顯著的提高效率和功率因數，將會形成代替原來直流電焊機電源的新興產業。工業用開關電源是比通訊用開關電源規模更大的市場，值得電子變壓器行業對它們進行追蹤和開發。
辦公設備、商業用、家用開關電源，在我國現階段，大部分直接由主機廠配套生產，還沒形成獨立的產業，但是由于量大面廣，對電子變壓器的需求不可忽視。
2、對電子變壓器的要求
直流開關電源在市場發展中主要追求的指標是效率高、體積小(輕薄短小)、成本低，因此對其中用的電子變壓器，也主要是這幾方面的要求。
2.1效率
直流開關電源要求效率高的主要原因是節能和環保，也就是從“綠色電源”概念提出來的。因為節能后，由于直流開關電源量大面廣，可以顯著減少所需的電能，也就減少發電廠數量，減少發電廠排放的廢氣廢水和灰潭對環境的污染。現在要求100W以下的小功率直流開關電源效率超過85%。中大功率直流開關電源效率超過90%。
變壓器和電感器的損耗一般占直流開關電源的15%左右。要求變壓器效率超過95%~98%，其原因是要求減少直流開關電源的待機損耗。因為變壓器的空載損耗和空載電流是造成待機損耗的主要原因之一。現在直流開關電源的待機損耗要求小于10%，因此，變壓器空工損耗只能小于5%，最好小于2%。效率高，發熱小，不可減少散熱面積和體積。
2.2體積
直流開關電源追求輕薄短小，是它在市場發展中的熱門話題，其中變壓器和電感器的小型化是最大的難點，受到國內外專家們的普遍關注。表示它的指標是功率密度，希望能達到100W/IN3以上。
為了適應直流開關電源小型化的需要，首先是提高工作頻率，其次是改變結構。工作頻率提高到250KHZ，比20KHZ~40KHZ，功率密度會顯著增加。但是高頻損耗也顯著增加，改用新的磁性材料和線圈結構來解決。高頻電磁干擾也顯著增加，采用抗干擾濾波器和低磁致伸縮材料來解決。現在最高的工作頻率已達到25~30MHZ。1~2MHZ在小型直流開關電源中已比較普遍。
變壓器結構正經歷三次更新換代。第一次是平面變壓器、體積和重量比立體變壓器(普通變壓器)減少80%，已形成從5W至20KW20KHZ至2MHZ的產品，效率典型值為98%。第二次是片式變壓器，對低壓大電流特別適用，高度(厚度)更進一步降低，電流可達100安以上，采用一個次級繞組多個磁芯組成，代替以前的一個磁芯多個繞組。多個磁芯的初級繞組串聯，從而達到降壓隔離的要求。內部溫升比平面變壓器低，只有10℃左右。可以裝在額定溫升更高的基板上工作。第三次是薄膜變壓器，采用薄膜后高度低于1MM。工作步率超過1MHZ，達到10~100MHZ。由于采用集成電路工藝制造，成本并不增加。是直流開關電源變壓器的最新發展方向。之所以強調“正經歷”，是因為在現階段，不同的應用范圍和市場，從性能價格比出發，要求的變壓器結構形式也不一樣。立體變壓器仍然大量使用。平面變壓器已形成系列，正在推廣。片式變壓器處于個別和小批量生產階段。薄膜變壓器只是個別情況，仍處于研究開發階段。因此，電子變壓器不單要關注研究開發的新變壓器，而且更要關注大量生產的變壓器。即使改進某個部件，某個工藝環節，也會取得良好的效益。
2.3成本
直流開關電源和任何商品一樣，在市場發展中都要考慮成本。作為它的部件的電子變壓器也回避不了成本問題。為了降低電子變壓器成本，第一個手段是設計，采用的原材料、結構形式對成本有決定性作用。因此在設計直流開關電源的電子變壓器時，一定要綜合考慮電源的工作條件，當時原材料的水平和價格，設計出性能滿足要求成本最低的電子變壓器產品。第二個手段是工藝，減少生產成本。盡量采用工模具和機械加工，減少加工工時。在檢測中，采用短時間即可確認產品性能的方法，減少檢查工時。加強管理，從備料到產品包裝出廠，各個生產環節都盡量減少工時和費用。第三個手段是減少生產的附加費用。包括設計選用的原材料和配件盡可能通用，減少種類和降低庫存量，以及盡快縮短交貨時間減少產品成品庫存量，還有對檢測中被剔除的產品進行處理，回收能用的原材料和配件等等。
3、結語
直流開關電源是電子變壓器主要服務對象之一。直流開關電源市場在中國有比較大的發展。為了推進直流開關電源市場的發展，對電子變壓器提出了高效率、小體積、低成本的要求。
直流開關電源是各種電源中應用范圍和市場最大的一種，包括從交流輸入變為直流輸出的“開關整流器”和從直流輸入變為直流輸出的“直流變換器”。直流開關電源經過幾十年的發展，集中了許多高新技術，包括高頻開關技術、軟開關技術、功率因數校正技術、同步整流技術、智能化技術、表面安裝技術，已經形成高工作頻率、高效率、高功率密度、高可靠性等為特征的現代直流開關電源。
直流開關電源的應用范圍和市場比較大，按日本電子機械工業協會開關電源專業委員會的分類方法，包括：(1)各種電子計算機、中央處理器、存儲裝置用開關電源；(2)計算機外圍終端設備，輸入輸出裝置用開關電源；(3)有線通訊設備、程控交換機、戶內通訊設備用開關電源；(4)無線通訊設備、發送設備、移動通訊設備用開關電源；(5)工廠自動化、機器人、數控機床、空調設備、電力控制設備用開關電源；(6)自動售貨機、現金自動交付機、現金自動存儲機用開關電源；(7)顯示器、示波器用開關電源；(8)醫療設備、試驗儀器、汽車電子、液晶顯示裝置用開關電源；(9)文字書寫機、個人計算機、傳真機用開關電源；(10)復印機、速印機用開關電源；(11)電視機、錄像機用開關電源；(12)游戲機用開關電源；(13)數字音響、電子樂器用開關電源；(14)磁帶錄音機、立體聲錄放機用開關電源；(15)插頭式開關電源、充電器用開關電源和住宅設備用開關電源。之所以分得這樣細的原因是日本的直流工關電源市場占世界的50%~45%，品種多、用量大，可以針對各自不同的要求進行設計，有利于追求最佳性能和最低成本。
在我國，直流開關電源市場的發展不及日本那樣快、那樣大、那樣廣，粗略的分為計算機用開關電源、通訊用開關電源、工業用開關電源、辦公設備用開關電源、商業用開關電源和家用開關電源等六大領域來分析。
我國2000年的直流開關電源產值比1999年增長了15%左右，約占世界開關電源總產值的4.6%(不包括外資企業)。如果包括外資企業，將達到50%左右。因為世界排名1、2、4、5的直流開關電源廠和世界最大的計算機開關電源廠都設在我國珠江三角洲。同時，在蘇州為中心的長江三角洲和廈門附近的閩南地區，也相繼形成了直流開關電源生產基地。
從2000年起，計算機在我國的銷售市場迅速擴大，據不完全統計，已超過2500億元。計算機主要是國外品牌，與之配套的計算機用開關電源也主要是由外資企業和國外供應。但是計算機用開關電源的變壓器和電感器已逐漸轉向國內生產，出現一批磁芯生產廠和電子變壓器生產廠。
通訊電源由于受進網限制，大部分由國內生產。其中大公司，如廣東的中興、安盛、上海的中達一斯米克、煙臺的東方電子，約占市場的25%；原電子部、郵電部屬企業，如武漢的洲際、廣東的珠江、北京的動力源、石家莊的亞澳，約占市場的15%；在最近幾年發展起來的新企業，如河南許繼、廣東珠海的泰坦、北京的通力環，約占市場的15%；中外合資企業，如上海西門子，新電元，北京愛立信，桂林中志，約占市場的20%；以民營科技為主的中小企業，如江蘇大唐科源等，約占市場的6%左右；還有幾十人以下的個體企業，估計在全國超過1000家，約占市場的20%。這樣，大中小齊上陣，中外企業都來爭奪中國通訊電源市場，形成競爭十分激烈的局面，從而使通訊用開關電源在中國發展非常迅速。開關整流器已從48伏50安發展為48伏100安和200安，工作頻率從40KHZ提高為100~250KHZ，普通采用軟開關技術，功率因數提高達到＞0.997，效率最高達到＞93%，組成供電系統在3000安時均流度達到2%，高于部頒標準5%。為電子變壓器行業提供了從小到大各種變壓器和電感器的巨大的市場機遇。
工業用開關電源在我國發展最快的包括三部分：(1)電力電源，包括蓄電池充電電源(直流充電屏)和操作電源，主要生產單位有河南許繼、煙臺東方電子、黑龍江哈爾濱的九洲、青島的青整、浙江的青田、無錫的思達、北京動力環、江蘇的大唐科源、武漢的電力儀表。也有進入電網的許可證問題，主要由國內生產。(2)電鍍電解電源和傳動電源，以前主要用晶閘管(可控硅)電源，效率低、功率因數低，現在已逐步改為晶體管(GBT和IGBT)直流開關電源，雖然現在生產量小，產值還不足10億元，但是發展空間大，而且牽涉到傳統工業改造及新建工為上水平問題，估計近十年內會迅速發展起來，使原來由晶閘管獨占的變流器(電力電子)行業煥然一新。主要生產廠為西安的西整、上海的上整、北京的北變和北整、青島的青整、保定的保整、廈門的廈整、柳州的柳整。也會使電氣傳動中的中小功率直流晶閘管傳動電源更新換代。(3)電焊機電源，采用直流開關電源開發的中小型電焊機電源和特殊電焊機電源，在我國已形成一定規模，生產廠如北京的時代、廣東的勵進。由于可以大大減少體積和重量，顯著的提高效率和功率因數，將會形成代替原來直流電焊機電源的新興產業。工業用開關電源是比通訊用開關電源規模更大的市場，值得電子變壓器行業對它們進行追蹤和開發。
辦公設備、商業用、家用開關電源，在我國現階段，大部分直接由主機廠配套生產，還沒形成獨立的產業，但是由于量大面廣，對電子變壓器的需求不可忽視。
2、對電子變壓器的要求
直流開關電源在市場發展中主要追求的指標是效率高、體積小(輕薄短小)、成本低，因此對其中用的電子變壓器，也主要是這幾方面的要求。
2.1效率
直流開關電源要求效率高的主要原因是節能和環保，也就是從“綠色電源”概念提出來的。因為節能后，由于直流開關電源量大面廣，可以顯著減少所需的電能，也就減少發電廠數量，減少發電廠排放的廢氣廢水和灰潭對環境的污染。現在要求100W以下的小功率直流開關電源效率超過85%。中大功率直流開關電源效率超過90%。
變壓器和電感器的損耗一般占直流開關電源的15%左右。要求變壓器效率超過95%~98%，其原因是要求減少直流開關電源的待機損耗。因為變壓器的空載損耗和空載電流是造成待機損耗的主要原因之一。現在直流開關電源的待機損耗要求小于10%，因此，變壓器空工損耗只能小于5%，最好小于2%。效率高，發熱小，不可減少散熱面積和體積。
2.2體積
直流開關電源追求輕薄短小，是它在市場發展中的熱門話題，其中變壓器和電感器的小型化是最大的難點，受到國內外專家們的普遍關注。表示它的指標是功率密度，希望能達到100W/IN3以上。
為了適應直流開關電源小型化的需要，首先是提高工作頻率，其次是改變結構。工作頻率提高到250KHZ，比20KHZ~40KHZ，功率密度會顯著增加。但是高頻損耗也顯著增加，改用新的磁性材料和線圈結構來解決。高頻電磁干擾也顯著增加，采用抗干擾濾波器和低磁致伸縮材料來解決。現在最高的工作頻率已達到25~30MHZ。1~2MHZ在小型直流開關電源中已比較普遍。
變壓器結構正經歷三次更新換代。第一次是平面變壓器、體積和重量比立體變壓器(普通變壓器)減少80%，已形成從5W至20KW20KHZ至2MHZ的產品，效率典型值為98%。第二次是片式變壓器，對低壓大電流特別適用，高度(厚度)更進一步降低，電流可達100安以上，采用一個次級繞組多個磁芯組成，代替以前的一個磁芯多個繞組。多個磁芯的初級繞組串聯，從而達到降壓隔離的要求。內部溫升比平面變壓器低，只有10℃左右。可以裝在額定溫升更高的基板上工作。第三次是薄膜變壓器，采用薄膜后高度低于1MM。工作步率超過1MHZ，達到10~100MHZ。由于采用集成電路工藝制造，成本并不增加。是直流開關電源變壓器的最新發展方向。之所以強調“正經歷”，是因為在現階段，不同的應用范圍和市場，從性能價格比出發，要求的變壓器結構形式也不一樣。立體變壓器仍然大量使用。平面變壓器已形成系列，正在推廣。片式變壓器處于個別和小批量生產階段。薄膜變壓器只是個別情況，仍處于研究開發階段。因此，電子變壓器不單要關注研究開發的新變壓器，而且更要關注大量生產的變壓器。即使改進某個部件，某個工藝環節，也會取得良好的效益。
2.3成本
直流開關電源和任何商品一樣，在市場發展中都要考慮成本。作為它的部件的電子變壓器也回避不了成本問題。為了降低電子變壓器成本，第一個手段是設計，采用的原材料、結構形式對成本有決定性作用。因此在設計直流開關電源的電子變壓器時，一定要綜合考慮電源的工作條件，當時原材料的水平和價格，設計出性能滿足要求成本最低的電子變壓器產品。第二個手段是工藝，減少生產成本。盡量采用工模具和機械加工，減少加工工時。在檢測中，采用短時間即可確認產品性能的方法，減少檢查工時。加強管理，從備料到產品包裝出廠，各個生產環節都盡量減少工時和費用。第三個手段是減少生產的附加費用。包括設計選用的原材料和配件盡可能通用，減少種類和降低庫存量，以及盡快縮短交貨時間減少產品成品庫存量，還有對檢測中被剔除的產品進行處理，回收能用的原材料和配件等等。
3、結語
直流開關電源是電子變壓器主要服務對象之一。直流開關電源市場在中國有比較大的發展。為了推進直流開關電源市場的發展，對電子變壓器提出了高效率、小體積、低成本的要求。
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