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行业 | 高频开关电源发展现状与趋势

来源:澳门电子游戏正规网站-【澳门十大正规网站】      发布时间:2016-03-31     

高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器 的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5 A、48 V/20 A扩大到48 V/200 A、48 V/400 A。

高频开关电源是传统整流器(硅整流器 ,可控硅整流器)的升级替代产品。高频开关电源以使用方便,体积小,效率高,工作稳定,镀层细致等绝对的优势迅速占领市场。广泛使用于电镀,电解,氧化等表面处理行业,并得到新老客户的一致好评。近年来,随着世界经济全球化和澳门电子游戏正规网站国国民经济的飞速发展,国防、航天、通信、信息、机械、电力、家电、冶金、化工及有色加工等行业对高频开关电源的用量需求越来越大,品质要求也越来越高。特别是2009年哥本哈根气候变化会议的召开,发展以低能耗、低污染和低排放为基础的经济模式———“低碳经济”已成为全球经济发展的主要趋势。降低能源消耗,发展节能环保的电源产品为电力电子行业的重要任务,高频开关电源因可节省原材料,减少占地面积,是当今特种电源行业研究的热门课题。

一、开关电源的发展历程

1. 世纪50~60年代开关电源研究和应用

开关电源的研究和应用开始于20世纪50年代。1955年美国罗耶(Rog-erGH)发明的自激

振荡推挽晶体管单变压器直流变换器,首创脉冲宽度调制(PWM)控制,为研制开关电源打下理论基础。到20世纪60年代,开关电源的各种基本电路拓扑已逐渐成型,其体积小、重量轻和效率高(最高可达70%)的优势逐渐显现。

2. 20世纪70~80年代开关电源正式进入“高频”时代

20世纪70年代,以电力晶体管 GTR为代表的高频电力开关的出现使开关电源的频率提高到20kHz,在开关变换时不会产生刺耳噪声。20世纪80年代,IG-BT的出现让仅适用于小功率场合的开关电源在中大功率直流电源中也得以发挥作用。20世纪80年代末期,采用PWM技术的MOSFET开关整流器,开关频率均在 50kHz左右。

3. 20世纪90年代软开关PWM控制技术促成高频开关电源又一次飞跃

随着工作频率的提高,开关损耗不可避免地大大增加。软开关技术的出现将开关损耗几乎降为零。零电压变换、零电流变换、谐振变换、准谐振变换和移相谐振变换等软开关技术使高频开关电源在保持高效率的前提下工作频率越来越高,带来巨大的经济效益。20世纪90年代,高频开关电源的工作频率已提高至500kHz~1MHz。

4. 21世纪高频开关电源进入数字化时代

进入21世纪,随着数字电路技术、计算机控制技术的发展以及在电力电子技术上的应用,高频开关电源进入数字电源时代,且发展迅猛。数字化电源从功能上定义为数字化控制的电源产品,提供控制、管理和检测功能,可以对整个电源回路进行控制。开始时,数字电源仅停留在概念和技术讨论层面,没有形成真正意义上的数字电源产品。直到2005年,美国德州仪 器公司(TI)率先推出创新性的数字化电源产品,以“全数字控制回路”为特征的数字化电源控制芯片开始出现,实现数字化电源真正由概念走向运用。

二、高频开关电源的发展现状

高频开关电源从产生发展至今,其各方面性能有了普遍提高。随着现代电力电子技术的飞速发展,越来越多的高新技术被成功应用到高频开关电源中,极大地提高了高频开关电源的各方面性能。

1. 逐渐淘汰线性电源

高频开关电源在技术上较线性电源具有很大优势,节省了用来制造工频变压器的材料和空间,体积小、质量轻、可靠性高且性价比好,易于实现各种不同功率的输出。随着高频开关电源开关频率的不断提高及高频滤波技术的同步发展,原来困扰开关电源的输出纹波大等问题得以克服,开关电源的输出纹波可与线性电源相媲美,促使在各行业逐渐淘汰线性电源。

2.开关频率已达MHz级

高频开关电源自20世纪70年代突破20 kHz以来,随着技术的进步,其产品的频率一路飙升到500kHz~1MHz。世界上很多国家都在致力于MHz级的高频开关电源的研究。澳门电子游戏正规网站国在这方面的研究较为滞后,但是已经取得了一定的成果。

3.小型化发展迅速

通过对高频开关电源原理的分析和实际应用证明,电源使用的电容、电感、变压器的体积和质量与电源工作频率的平方根成反比。依据这个原理,高频开关电源的频率提高必然促成了体积的减小。电源小型化能使产品轻便、节省材料消耗和降低成本,具有很重要的经济价值。

4.效率得到较大提高

由于各种新技术的运用,世界上高频开关电源的效率达到95%以上,国内应用软开关技术制造的6kW通信开关电源的效率已达到了93%。

5.提高频率和减少体积不可避免面临许多难题

随着开关频率的提高,必将带来很多负面影响,包括开关元件和无源元件损耗的增加、元件高频寄生参数和电磁干扰EMI等,都必须兼顾考虑。

6. 软开关技术发展应用日趋成熟

由于软开关技术在理论上可以将开关损耗降 低为零,因此该技术始终是研究的热点。其电路 可分为:准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。目前发展应用成熟的技术包括:有源钳位ZVS软开关技术和全桥移相ZVS软开关技术,效率可达90%以上。

7.软开关与硬开关结合技术取得较好效果

软开关技术的出现并没有使硬开关技术逐渐没落,相反通过与软开关技术结合,焕发出新的活力。如零电流变换(ZCT)和零电压变换(ZVT)技术,兼有软开关的开关损耗小、EMI低、频率高、效率高、节能效果好等优点和硬开关的开关管电压、电流容量定额小和易于实现滤波等优点。

8.同步整流技术极大提高了开关电源的转换效率

同步整流技术通过使用导通电阻极低(不大于3mΩ)的MOSFET,替代传统的二极管作为逆变后的整流器件,通过控制器产生与整流电压相位同步的栅极驱动信号控制同步整流器正常工作,这种方法可以极大降低整流损耗,主要应用于低压大电流功率变换器中。

9.高频有源功率因数校正(PFC)技术有效提高功率因数

高频开关电源就像是交流电网上的非线性负载,所产生的高次谐波电流从输电线辐射出去而污染电网,造成很大危害。PFC技术能有效地减少高频开关电源对电网的污染,主要运用的是有源PFC技术。高频有源PFC技术使电源输入电流实现正弦化,且与输入电源保持同相位,达到谐波抑制的目的。目前,主要的有源PFC技术包括两级PFC技术和单级PFC技术两种。

10.电磁兼容性(EMC)的设计技术有效降

低高频开关电磁干扰 由于高频开关电源的结构特点,伴随着开关电源开关操作时急剧的电压和电流变化而产生的浪涌和噪声,将作为传导噪声或辐射噪声传递至设备的外部,从而引发电磁干扰(EMI)问题。EMC设计技术可以有效地解决这个问题。目前抑制电源EMI的三种重要的新技术包括周期扩频、随机扩频和混沌扩频。周期调频已应用于商品电源中,而后两种调频技术正在发展之中。

11.电源电路、电源系统的模块化提升了电源品质

目前,为了便于设计人员灵活使用各功能模块,提高制造效率、降低成本、减小体积和提高可靠性,制造商将PFC、ZVS、ZCS、PWM控制、并联均流控制和移相全桥控制等控制功能集成在专用芯片内,把功率开关器件同控制、驱动、保护、检测等电路封装在一个模块内构成电力电子器件模块。此外,制造商将控制、功率半导体器件和信息传输等功能全部集成在一个模块中,通过取消传统连线和电、热、结构的优化设计,达到缩小体积、降低寄生参数和提高产品可靠性的目的。

12. 单台功率输出不高限制国内大功率电源领域的应用

目前,国内的大功率高频开关电源产品稀少且性能欠佳,而且单机容量大于20 kW的大功率高频开关电源在国内外极为少见,单机输出电流一般在1000A以下。这些问题造成高频开关电源在国内电化学和冶金等需要大功率(几百千瓦或几兆瓦以上)电源的领域还未得到应用。构成高频开关电源主功率电路的最基本、最重要的两大要素:电力电子器件和磁性器件的输出功率不高,是目前阻碍功率提升的主要瓶颈。

13.分布式电源系统极大提升电源输出功率

分布式高频开关电源系统通过电源模块并联运行的方式,采用系统均流、N+M冗余设计和热插拔技术,使得每个变换器处理较小的功率以降低电应力,突破了单台输出功率不够大的瓶颈,将输出功率提升到几十千瓦甚至几百千瓦,大大提高了系统的可靠性。此外,这种系统能扩展出多种功率输出,降低了开发成本。

14. PWM反馈回路的数字控制技术得到实际应用

基于电子设计自动化(EDA)技术、单片机技术和数字信号处理器(DSP)技术等数字技术开发的数字电源通过软件和硬件设计,可以替代模拟电路,实现PWM反馈回路的数字控制。DSP可通过内置PID算法生成数字PWM波形控制主 功率变换器;配合A/D转换和CPLD等芯片检测系统电流、电压和温度参数,经内部处理调整PWM信号输出,实现调节电源输出和各种保护功能,还可以对同步整流电路进行精确的同步控制。

15. 基于数字技术开发的电源管理与通信功能提高产品性能

数字高频开关电源能通过接口电路,外接键盘和液晶显示器,进行人机交互操作;通过串口RS485、RS232或CAN总线等接口与上位机进行数据的通信,实现遥测遥控。数字电源的网络接口,便于实现在线维护、自检和升级,极大提高了产品的可靠性和使用寿命。

16. 数字技术方便产品设计

各种功能的集成数字电路、数字控制芯片以及先进的EDA技术、单片机技术和DSP技术使得设计人员能够摆脱以往繁复的模拟电路设计,专注于电源产品的质量、性能和功能的完善。通过运用计算机辅助设计(CAD)手段,包括TOPs-witch(PROTEL)、DXP等电路设计软件,可以提高电源产品的开发效率,缩短研发周期。目前流行的Pspice和Matleb等仿真软件不能完全仿真高频开关电源的高频寄生参数,只能在前期研究中提供参考,无法做到完全的仿真设计。

三、高频开关电源的发展趋势

1.模块化、标准化

模块化设计是高频开关电源的重要特色之一。它具有安装便捷、维护方便、系统可靠性高等特点。正是由于高频开关电源具备了轻巧、紧凑的模块化设计,才使得电力、通信的直流供电系统设计理念发生了革命性的变化,直流供电系统由原来的 1+1 主从备份转化为 N+1 冗余备份,大大降低了系统的成本,提高了系统的性能和可靠程度。模块化设计的直流供电系统扩容方便,可以轻松的将原系统的容量增加为原来的几倍甚至十几倍。模块化改变了不间断供电系统设计理念,提高了系统的电气性能、可靠性和智能化水平,降低了系统制造成本,直接促进了开关电源产品的技术升级和广泛应用。

电源模块的标准化设计是为了使所有的产品具有统一性和可互换性。如今各个行业所出台的一些规范标准对电源的电气性能和防护等级等做出了统一的规范,使得电源生产企业逐步向着标准化的方向发展,但是对产品外观尺寸、安装方式、散热方式、接口定义、命名方式等并没有明确的标准,目前各家企业都有自己的执行标准,难以实现互换,造成了电源设备管理和维护的障碍,因此电源模块的标准化是业界的重要趋势之一。

2.高效率、高功率密度、低成本

效率更高、重量更轻、尺寸更小、成本更低一直是电源产品的发展方向。高转换效率、高功率密度和先进的工艺不仅提高了产品品质,也可以降低产品的成本,达到节约材料、节约能源的目的。

随着功率变换技术的发展,设计、制作工艺水平的提高,以及市场需求的推动,电源产品的功率密度逐步成为评价其竞争力的重要指标之一。从工频相控电源到高频开关电源,功率密度提高了数十倍,带来了小型化、轻量化和低成本等诸多优势,代表了该领域未来的发展方向。

3.智能化程度进一步提高

电力操作电源系统智能化程度的提高主要包含两个方面。一方面是充电模块自身的智能化,另一方面是系统监控的智能化。

充电模块的智能化主要体现在具备自澳门电子游戏正规网站实时监测和记录功能,可进行故障检测、故障定位;可实现远程状态监测、远程故障检测、故障定位和故障排除;具备完善可靠的故障退出机制及自身监测系统冗余配置,提高了其工作的可靠性。系统监控的智能化主要体现在对系统设备运行的环境状态、动力状态等进行实时监控并记录历史数据,实现对电力机房远程遥控管理功能,使电力行业机房监控达到无人或少人值守,为机房的高效管理和安全运营提供有力的保证。监控系统可分为前端采集处理、数据传输以及后台监控管理部分。三者有效的结合保证该系统能够实时、快速、准确地将设备现场的图像和数据回传到监控中心。

4.全数字化控制

电源的控制已经由模拟控制、模数混合控制,进入到全数字控制阶段。全数字控制具有更强的抗干扰能力,可以更快速灵活的实现设计理念,缩短开发周期。数字芯片的一致性好,适合大规模生产。全数字化控制集成度越来越高,可以缩小控制电路的体积和功耗。数字化控制和数字化均流技术的普及有利于提高模块设计的标准化水平,促进标准化进程的发展。同时可大幅提高开关频率,提高产品的功率密度。全数字化控制可以实现在线编程,制作可编程电源满足不同用户的各种特殊需求等。全数字控制作为一个新的发展趋势,已经在许多功率变换设备中得到应用。

四、高频开关电源行业竞争格局

1.电力操作电源模块和电力操作电源系统市场

(1)电力操作电源模块。国内电力操作电源模块市场主要厂商包括艾默生、通合电子和英可瑞等。其中,艾默生进入电力操作电源模块市场较早,积累了较强的品牌优势。通合电子凭借自身的技术研发实力、营销网络和服务体系在业内树立了良好的品牌形象,公司电力操作电源模块收入 2010-2014 年间年均复合增长率 22.47%,快速成长为行业领先企业之一。

(2)电力操作电源系统。目前国内的电力操作电源系统市场集中度不高。主要厂商包括鲁能智能、奥特迅、许继电源、中恒电气、九洲电气、泰坦能源技术等。区别于鲁能智能和奥特迅等厂商,通合电子主要为业内系统集成商提供电力操作电源系统配套产品。

2. 电动汽车车载电源和充换电站充电电源系统市场

(1)电动汽车车载电源市场。国内车载电源行业起步较晚,但随着新能源产业政策的积极推动和电动汽车技术的快速发展,国内企业技术和生产工艺表现出了一定的创新能力。电动汽车车载电源行业主要企业包括杭州铁城、通合电子、欣锐特、艾默生等企业。通合电子凭借深厚的技术研发能力和市场拓展能力进入了福田汽车、宇通客车、南京金龙、厦门金旅、万向电动汽车澳门电子游戏正规网站等大型汽车行业厂商的供应商体系,成为了车载电源的主要供应商之一。

(2)电动汽车充换电站充电电源系统。目前参与电动汽车充换电站充电电源系统市场竞争的企业主要包括许继电源、通合电子、泰坦能源技术、奥特迅等。通合电子产品凭借稳定的性能表现和优秀的技术支持获得了市场认可,为“国家电网上海高科充电站”、“国家电网湖北襄阳停堡场充电站”、“国家电网成都红旗充电站”、“国家电网成都槐树店充电站”、“国家电网成都龙泉充电站”、“国家电网宁夏丰登充换电站”、“上海嘉定叶城路底盘换电站充电系统”、“赣州章江新区换电站”等多个项目的建设提供了充电电源系统及相关产品。

 

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