從美國電源工業發展計劃看我國電源工業的發展
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1美國電源市場預測 美國開關電源商業市場是與臺式計算機、電話機產品市場同步發展的，隨著計算機通訊設備迅速、持續穩定的增長及新的IT網絡產品市場的迅速增長，未來的電源市場是非常樂觀的。基于對VDC'S“美國商業市場和機內AC/DC開關電源及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查，以及根據來自其它渠道的信息，文獻[1]對美國電源工業的過去、現在和將來的趨勢作了比較全面的綜述。
當前美國電源工業市場的結構和分布示于圖1
圖1中所示電源制造廠生產的大多數電源是直接運給OEMS和分銷商的。目前增值轉賣商銷售量尚不大，但是將變得日漸重要起來。
1.1AC/DC開關電源市場預測
（1）額定功率按AC/DC開關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開關電源。
表1按額定功率大小分類，AC/DC
開關電源的市場（百萬美元）及年增長率
| 功率范圍 | 預計 | 平均年增長率 | ||
|---|---|---|---|---|
| 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 | 2,671.7 | 3,389.0 | 4,861.6 | 12.7 |
（2）用戶應用領域
按AC/DC開關電源的用戶應用領域分類，各類電源市場占有比例及年增長率示于表2。從表2數據可見，遠距離通訊和數字網絡交叉應用領域的蓬勃發展，包括發射裝置、專用交換機異步傳送開關（ATM）、遠程存取LAN設備、電視會議設備的發展，均會促進對機內AC/DC開關電源的需求。因此。用于遠距離通訊和數據通訊機內的AC/DC開關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AC/DC開關電源將繼續保持最大的消費份額，但是增長率將不如前者。在工業和儀表市場消費領域，國內外對新型、先進醫療和實驗設備，包括醫用監視器、通風和驗血設備用的AC/DC開關電源需求將日益增長。除此以外，工業過程控制機、操作控制臺、測試和測量儀器用的電源將在工業應用領域中占領先地位。與人們想象相反，軍用/航空領域對AC/DC電源的需求并未下降。總的來說，到2001年，對AC/DC開關電源的需求平均每年增長12.7％。
圖1美國電源工業市場的結構和分布
表4按用戶應用領域分類，各類DC/DC
開關電源市場占有比例及年增長率
| 用戶應用領域 | 預計 | 平均年增長率 | ||
|---|---|---|---|---|
| 1996 | 1998 | 2001 | ||
| 遠程及數據通訊計算機/辦公自動化工業/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 | 744.8 | 958.6 | 1,408.7 | 13.6％ |
表3按額定功率大小分類，DC/DC
開關電源的市場（百萬美元）及年增長率
| 功率范圍 | 預計 | 平均年增長率 | ||
|---|---|---|---|---|
| 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 | 744.8 | 958.6 | 1,408.7 | 13.6％ |
| 技術要求 | 目前水平 | 預計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） | 106h（1兆小時） |
| 控制 | 200kHz，帶PFC | 400kHz，帶PFC |
| 功率拓撲 | 兩級正激 | 單級PFC/集成PFC |
| 其他 | 開關：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以內的AC/DC變換器技術的主要發展趨勢
表2按用戶應用領域分類，各類AC/DC
開關電源市場（百萬美元）及年增長率
| 用戶應用領域 | 預計 | 平均年增長率 | ||
|---|---|---|---|---|
| 1996 | 1998 | 2001 | ||
| 計算機/辦公自動化 遠程及數據通訊 工業/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 | 2,671.7 | 3,389.0 | 4,861.6 | 12.7％ |
1.2DC/DC變換器市場預測
（1）功率定額按DC/DC開關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數據可見，51－250WDC/DC開關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開關電源由低功率向中功率方向發展是必然趨勢。一般說來，DC/DC開關電源在低功率范圍增長率最快，其中16－25WDC/DC開關電源的增長率最高，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、堅固可靠的計算機和軍用通訊系統。251－500WDC/DC開關電源增長率則居于第二位，它們主要用于服務性的醫療和實驗室設備、工業控制設備、遠程通訊設備、多路通訊及其它發送設備。51－100WDC/DC開關電源在1996年占的份額最高，但預見增長率較低。
（2）用戶應用領域按DC/DC開關電源的用戶應用領域分類，各類電源市場占有比例及年增長率示于表4。從表4數據可見，與AC/DC電源情況類似，DC/DC開關電源在遠程通訊和數字通訊領域，年增長率最高，達15.2％。
2小功率變換器在今后五年內的發展趨勢
文獻[2]就美國10－25W及50－200WDC/DC變換器及500W以內的AC/DC變換器三類變換器的技術、價格現狀和未來發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的主要發展趨勢是：為適應超高速CPU芯片的迅速發展，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)、高效率的方向發展。
3低壓大電流DC/DC變換器的技術方向
如前所述，現代微處理器和一些超高速的超大規模集成電路芯片，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變換器技術的主要發展趨勢
| 技術要求 | 目前水平 | 預計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） | 數兆小時 | 數兆小時 |
| 控制 | 同步整流器 | |
| 功率拓撲 | Buck/線性 | 同步開關電容 |
| 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,而直流母線電壓通常為5～12V。這樣就對其供電電源(電壓調整模塊－VRM)提出了新的挑戰，見文獻[4]。要求VRM具有非常快速的負載電流動態響應,在保證足夠小體積的同時,具有較高的效率。表8給出了現代微處理器對VRM有要求:
表8現代微處理器對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具有快速的負載電流動態響應,傳統的解決辦法是VRM的輸出端并聯很多容量很大、等效串聯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，而現代微處理器對VRM的體積有嚴格的要求；
（2）去耦電容只能改善動態響應的最初階段，對后階段及總的動態響應時間沒有作用。
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構。其原理如圖2所示。
表9比較了該方案與傳統采用大容量去耦電容器方案的結果。結果表明，該結構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，
| 技術要求 | 目前水平 | 預計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：MOSFETS（GaAs），導通電阻減小兩倍，較低的門極驅動電壓磁性材料：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與傳統大容量退耦電容器方案的比較結果
| 交錯疊加型準方波VRM | 傳統VRM | |
|---|---|---|
| 總電容量 | 1520μF | 7000μF |
| 輸出濾波電感的電感量 | 320nH(×2) | 3.8μH |
| 動態電壓跌落 | 100mV | 150mV |
除此而外，為了提高VRM的動態響應，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，美國能生產這類新型DC/DC變換器—VRMs（VoltageRegulatorModules）的生產廠主要有Astec,Celestica和VXI。
此外，未來的開關電源系統中另一個迅速發展的趨向是集成功率保護系統—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對我國電源行業發展的幾點思考
鑒于前面對美國電源工業發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今后的發展趨向，可以作一番認真的思考：
（1）到2001年，美國開關電源的市場仍以百分之十幾的平均年增長率發展，而我國目前還是一個發展中國家，我國的開關電源市場還遠未開拓，相控電源仍在我國電源工業中占有相當大的比例。我們認為，從長遠及戰略的觀點看，利用PWM技術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、生產國產開關電源，全力開拓和占領我國國內的開關電源市場，必須引起我們足夠的重視，以免重蹈國內的中小功率通用型變頻器市場幾乎全為國外產品占領的復轍。
（2）從分析美國生產的各類開關電源可以看出，小功率（1～2kW以下）的開關電源在美國電源工業總產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電源的研究、開發和組織規模生產，以迅速形成我國自己的開關電源產業。
（3）小功率開關電源是一種技術含量較高的電力電子產品。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，也是我們自己生產的產品能否參與國際市場競爭的重要因素。為此，提高我國電源行業的技術、生產隊伍的素質變得非常重要和刻不容緩。
（4）在開發和發展電源產業過程中，必須同步發展高頻磁性材料、元件以及模塊制造技術，它們的研究、開發和生產對我國形成開關電源產業的關系十分密切，不能掉以輕心。
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