開關電源及其功率材料的場與技術動向精

1、開關電源及其功率材料的市場與技術動向黃 剛（899 廠高級工程師）在電腦、電子儀器和通訊系統(tǒng)中應用極為廣泛的開關電源， 在近半個世紀的發(fā)展過程中，因具有 輕、小、高效等優(yōu)點而逐漸取代傳統(tǒng)技術制造的連續(xù)工作電源，成為電子電源中的主流產品。人們 在開關電源技術領域里，邊開發(fā)相關電子技術，邊開發(fā)新型功率材料和元器件，兩者相互促進，推 動著開關電源每年以超過兩位數(shù)的增長率向輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾方向發(fā)展。開關電源迅速發(fā)展的成因工作原理的牽引 開關電源的工件原理是基于半導體開關管接通或斷開，在理論上有最低損耗點。新開發(fā)的諧振轉換器在原理上又可以把開關元件的電壓、電流波形作成零交叉，使開關損耗

2、減小到 零。這就使開關電源具有發(fā)熱量低、效率高等特點，因而適應了全球節(jié)能化的需要。小型化的追求 小型化是電子整機必然的發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)的串聯(lián)調節(jié)式電源被開關調節(jié)式電源取 代，這更容易實現(xiàn)電子整機的小型化。高頻化的趨勢 開關頻率的提高意味著變壓器體積的減小， 因此， 電子整機高頻化將推動電源向小 型化發(fā)展。小型元件奠定基礎 變壓器、半導體晶體管、 濾波電容器和電感線圈是開關電源的關鍵元件， 這些 元件的不斷小型化和高智能化，為電源小型化發(fā)展創(chuàng)造了條件。開關電源的市場現(xiàn)狀與發(fā)展開關電源分 AC/DC和DC/DC兩大類。主要適用領域有計算機、通訊辦公設備、控制設備、電子儀器等投資類產品及電視、攝像機、

3、VCD（ DVD、電子游戲機等消費類產品。目前全球開關電源制造廠商約 500 家。 1992 年世界開關電源的銷售額為 84億美元，到 1999 年已達 166億美元，其間的綜 合年增長率在10%以上，高于世界電子產品的整體發(fā)展水平（8.8%），其中DC/DC產品的市場份額從 20%上升到 24%。刺激開關電源市場進一步擴大并將繼續(xù)推動開關電源技術進步的主要用戶是計算 機及其外圍設備； 另外， 快速發(fā)展的通信及消費品市場也正逐漸成為開關電源裝置制造廠家的重心。主要技術革新的進步如功率系數(shù)的校正、相位調制、高頻電源轉換、零電壓及零電流轉換、單片式 轉換器為該工業(yè)注入了新的活力。隨著這些技術實用化

4、的進步，開關電源的設計會得到大大改良。日本是開關電源產量最大和自動化生產技術水平最高的國家，采用表面安裝元器件（SMC/SMD）和厚膜技術將大多數(shù)電子電路元件組成混合集成電路， 生產加工實現(xiàn)了自動化， 從而提高了可靠度， 降低了成本，產品真正做到了輕、小、薄（如利用集成電路技術將開關電源中2W以下的電路元件與集成電路做成了 Smart Power IC ）。表面安裝技術（SMT和高密度安裝的廣泛使用，已經導致更小型電源的岀現(xiàn)。自從MOS場效應晶體管的價格降低和尺寸縮小之后，日、美、歐采用MOS場效應晶體管的小型化開關電源陸續(xù)被開發(fā)岀來，這些新產品的工作頻率和開關速度較高，比原有產品更安全、可靠

5、，且價格低廉。日本作 為世界電子儀器設備的制造中心，對開關電源的需求最大，約占世界市場的48%，其次是美國和歐洲，分別占29%和11%我國近年計算機、通訊業(yè)發(fā)展神速，所用AC/DC DC/DC產品有很大的潛在市場。我國開關電源廠商共 100余家，大多為港臺的合資企業(yè)，其年產能力在 1000 萬只以上，國內市 場需求約350萬只，其余均岀口國外。我國開關電源現(xiàn)在的主流產品中仍為線性型和ATX型電源，主要用于計算機領域。 而用于移動電話、 燈控等領域的微小型及嵌入式智能開關電源尚未批量生產。開關電源產品的技術發(fā)展動向開關電源產品的技術發(fā)展動向是高可靠、高穩(wěn)定、低噪聲、抗干擾和實現(xiàn)模塊化。小型、薄型

6、、輕量化 由于電源輕、小、薄的關鍵是高頻化，因此國外目前都在致力于同步開發(fā) 新型高智能元器件，特別是改善二次整流管的損耗及變壓器電容器的小型化，并同時采用SMT技術在電路板兩面布置元件以確保開關電源的輕、小、薄。高效率 為了使開關電源輕、小、薄，高頻化（開關頻率達兆赫級）是必然發(fā)展趨勢。而高頻化 又必然使傳統(tǒng)的 PWMT關（屬硬開關）功耗加大，效率降低，噪聲也提高了，達不到高頻、高效的 預期效益，因此實現(xiàn)零電壓導通、零電流關斷的軟開關技術將成為開關電源產品未來的主流。采用 軟開關技術可使效率達到85-88%。據(jù)悉，美國VICOR開關電源公司設計制造了多種ECZ軟開關DC/DC3變換器，其最大輸

7、岀功率有800W 600W 300W等，相應的功率密度為6.2、10、17W/cm，效率為RM系列（日本人80-90% ；日本NemicLambda公司日前推岀一種采用軟開關技術的高頻開關電源模塊稱這種技術為“部分諧振），開關頻率為200-300kHz，功率密度為27W/cm,用同步整流器（即用MOS-FER弋替肖特基二極管）使整個電路效率提高到90%。高可靠 開關電源使用的元器件比連續(xù)工作電源多數(shù)十倍，因此降低了可靠性。 從壽命角度出發(fā)，電解電容器、光耦合器及排風扇等器件的壽命決定著電源的壽命。追求壽命的延長要從設計方面著 眼，而不是從使用方面著想。美國一公司通過降低結溫、減少器件的電應力、

8、降低運行電流等措施 使其DC/DC開關電源系列產品的可靠性大大提高，產品的MTBF高達100萬小時以上。模塊化 無論是AC/DC或是DC/DC變換器都是朝模塊化方向發(fā)展。其特點是：可以用模塊電源組成分布式電源系統(tǒng)；可以設計成 N+1 冗余電源系統(tǒng)，從而提高可行性；可以做成插入式，實現(xiàn)熱更 換，從而在運行中出現(xiàn)故障時能高速更換模塊插件；多臺模塊并聯(lián)可實現(xiàn)大功率電源系統(tǒng)。此外， 還可以在電源系統(tǒng)建成后，根據(jù)發(fā)展需要不斷擴充容量。低噪聲 開關電源的又一缺點是噪聲大，單純追求高頻化，噪聲也隨之增大，采用部分諧振轉換回路技術，在原理上既可以高頻化，又可以低噪聲。但諧振轉換技術也有其難點，如很難準確地控制

9、開關頻率、諧振時增大了器件負荷、場效應管的寄生電容易引起短路損耗、元件熱應力轉向開關管等問題難以解決。日本把變壓器設計成初次級分離阻燃密封，自身具備對付噪聲功能的共模無噪 聲隔離變壓器，既節(jié)省了噪聲濾波器，又減少了噪聲?？闺姶鸥蓴_ （ EMI） 當開關電源在高頻下工作時， 其噪聲通過電源線產生對其它電子設備的干擾，世界各國已有抗 EMI的規(guī)范或標準，如美國的FCG德國的VDE等，研究開發(fā)抗 EMI的開關電源日益顯得重要。電源系統(tǒng)的管理和控制 應用微處理器或微機集中控制與管理，可以及時反映開關電源環(huán)境的各 種變化。中央處理單元實現(xiàn)智能控制，可自動診斷故障、減少維護工作量，確保正常運行。計算機輔助

10、設計（ CAD） 利用計算機對開關電源系統(tǒng)、穩(wěn)定性分析、電路仿真、印刷電路板、熱 傳導分析、EMI分析以及可靠性等進行 CAD設計和模擬試驗，十分有效，是最為快速經濟的設計方 法。產品更新加快 目前的開關電源產品要求輸入電壓通用（適用世界各國電網(wǎng)電壓規(guī)模）、輸出電入端功率因素進一步提高（最有效的方法是加一級“有源功率因數(shù)校正器APFC ），并具有安全、過壓保護等功能。開關電源用功率鐵氧體材料的現(xiàn)狀與發(fā)展為適應開關電源輕、小、薄的要求，需要增大其開關頻率。而制作開關電源變壓器磁芯的Mn-Zn鐵氧體材料就必須在較高頻率和較大磁通密度（Bs）下具有良好的磁性能，這類材料被稱為功率鐵氧體或低功耗材料（

11、LPL），高性能材料應有高Bs、高0 f （居里溫度）、低 Po （功耗）等特點。70 年代初，日本、歐洲廠商為適應開關電源市場的需要，開發(fā)出第一代LPL 材料，典型牌號為TDK的H35 FDK的H45,這類材料由于功耗 Po較大，且使用時溫升顯著，故一般只用于16-25kHz的民用開關電源，國內大多廠家批量生產水平僅能達到這一代。80 年代初，經改進實用頻率為25-100kHz的第二代LPL材料被開發(fā)岀來，其最大特點是呈現(xiàn)負溫度系數(shù)功耗（20-80 C,隨溫度升高，功耗呈下降趨勢 ） ，能有效防止溫升造成的電磁性能下降，且綜合指標較好；代表性的產品有TDK的H7C1 （ PC30）、FDK的

12、6H10、西門子的 N27和飛利浦的 3C80，國內僅有 898廠的R2KBD 899 廠的RM2KB2和電子九所的 R2KH材料與之相當。80年代中后期，國外又競相開發(fā)岀高頻功耗大幅降 低，實用頻率一般可達100-500kHz的第三代材料，如 TDK的H7C4 （ PC40）、FDK的6H20和6H40、西門子的 N72、飛利浦的 3C85 和 3F3，典型性能指標為：Bs=490-510mT, 0 f200C, Po=400-500mW/cni （100kHz, 200mT, 100 C）,這類材料特別適用于頻率為數(shù)百kHz的高頻開關電源。國內898廠、899廠和電子九所于近年通過定型生產

13、的R2KB1、RM2KB3 R2KDB達到或接近第三代材料的性能水平。進入90年代后，第四代功率鐵氧體材料又開發(fā)成功，代表牌號有TDK的H7F （ PC50）、FDK的7H10和7H20、西門子的 N49和N59、飛利浦的3F4、日立鐵氧體的 SM-1M 東京鐵氧體（TOKIN）的 B40等，其功耗大大低于第三代材料，使用頻率一般可達 500-1000kHz，可望為開關電源的進一步輕、小、薄作岀貢獻。我國僅有898廠研制的R1.4K材料接近PC50的水平，該廠還采用這類材料制成了超薄型EI系列磁芯，并成功用于750kHzDC/DC轉換器的主變壓器和輸岀扼流圈中，其線圈結構為疊層印刷式。從功率鐵

14、氧體的發(fā)展趨勢看，由于更高頻率的開關電源的（1000kHz以上）受其它電子元件的發(fā)展限制，市場擁有量不是很大，因此目前國外軟磁制造商均在現(xiàn)有材料系列范圍內開發(fā)研究工作， 如進一步降低材料的磁芯損耗，確保磁芯溫升的下降，以提高整機的傳輸功率。為獲得良好的損耗特性，對鐵氧體粉體制備、鐵氧體燒結狀況的控制是非常重要的。從粉體制備看，均采用高純原材 料，使用復合添加劑，其目的是增大材料晶界電阻率，以降低磁芯損耗?？刂畦F氧體燒結條件（溫 度曲線、氣氛曲線、壓力曲線）以形成均勻、致密的晶粒結構，使得材料的渦流損耗Pe、磁滯損耗Ph得以相對平衡（Po=Pe+PH, P e/Po=PH/Po=50%，確保磁芯

15、總損耗 P。的下降，從而保證了磁芯在低頻 段或高頻段具有良好的損耗特性。這些新材料在制造過程中值得注意的是燒結時氧濃度的變化會對 初始磁導率、品質因數(shù)和電阻率產生較大影響；升溫時氧含量的變化、升溫速度的變化對晶粒直徑 分布、氣孔狀態(tài)、晶界內微量元素的偏析狀態(tài)等都會帶來較大的影響。為了得到晶粒直徑均勻的燒 結體，在開始生成尖晶石的900-1100 C溫度范圍內，升溫速度要慢、氧含量要低。若冷卻速度快，則容易產生剩余應力，微量成分向晶界偏析變小。因此，必須緩慢冷卻，按平衡氣氛原理控制氧含 量的變化。在較高溫度（1300 C）下燒時時，燒結體表面會有ZnO揮發(fā)，從而產生剩余應力，引起磁芯損耗增加。因

16、此為了降低ZnO揮發(fā)，也可用鐵氧體粉、ZnO等作為調節(jié)物來進行燒結。綜上所述，通過配方設計，改善材料居里溫度，調整卩i-T曲線的變化；通過微量添加劑、控制燒結條件和粉末制備技術等，改善磁芯損耗；通過晶界結構控制、晶粒尺寸控制，降低剩余應力以 達到現(xiàn)代軟磁功率鐵氧體材料所應具備的更完病況的材料特性參數(shù)；高飽和磁通密度、高居里溫度、高表觀密度、超低磁芯損耗以及優(yōu)良的產品外觀和精確的尺寸，來滿足競爭日益激烈的市場需要。 這在今后幾年內將是功率鐵氧體材料的發(fā)展趨勢。下表列出了開關電源的傳輸功率及其適用磁芯（所用功率鐵氧體為第三代材料）。項目磁芯種類（100kHz）傳輸功率/WEc（ETD）型磁芯EE型

17、磁芯RM PQ P型磁芯500EC70EE65、EE85P59X 40、PQ50精密電流互感器隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，高電壓輸電線路日趨增多，因而對電流互感器的需求量也日益劇增，且隨著電流互感器要求準確度達0.2級以上和儀表保安系數(shù) Fsw 5，以往的硅鋼已無能為力，只有高磁導率的坡莫合金和納米晶合金才能滿足要求，后者價格只有前者的40-50%，顯然鐵基納米晶軟磁合金是用作電流互感器鐵芯的首選材料。僅上海鋼鐵研究所和相關協(xié)作單位每年要加工近百噸鐵其納米晶合金帶材，研制成二十多種規(guī)格，如內徑$ 50-500mm、外徑$ 100-600mm、高度15-150mm的鐵芯，應用在 3.5KV、110K

18、V、220KV和500KV高壓供電線路中，產生了良好的經濟效益和社會效 大功率開關電源變壓器高頻大功率開關電源是鐵基納米晶合金應用的獨特領域，其工作頻率為20-50KH z，輸岀功率在10KW以上，電源變壓器效率在90%以上，還要求體積小，溫升低。因而其電源變壓器鐵芯必須具備下列要求：（1）高飽和磁感強度；（2）高磁導率；（3）高頻損耗低。鐵基納米晶合金材料正好具 備這些條件，深受用戶重視。上海鋼鐵研究所研制的大功率通訊電源變壓器鐵芯在某公司獲得極大 的成功應用；還研制岀大功率高頻變壓器鐵芯、高頻淬火設備電源變壓器鐵芯和大功率逆變焊機用 電源變壓器鐵芯，滿足了不同用戶的需求。北京鋼鐵研究總院已

19、開發(fā)岀系列逆變焊機用電源鐵芯供 用戶使用，功率為 2KW-25KW（20KHz）。目前這一應用領域還在日趨增加。開關電源隨著開關電源向小型化、低噪聲、高速反應和高可靠性發(fā)展，開關電源的頻率也在不斷提高。開關電源中使用的磁性器件較多，常用的有主變壓器（高頻功率變壓器）、電流互感器、飽和扼流圈、飽和電抗器、濾波器和尖峰信號抑制器等等。使用納米晶合金材料制作這些磁性器件，既能解決損耗、體積和溫升三者的難題，又能降低成本，滿足使用要求。除開關電源外，這類鐵芯還可用于 DC/DG逆變電源和脫扣電源的相關磁性器件。電抗器、濾波器及抗電磁干擾器件隨著電子技術向高頻、大功率和電子化方向發(fā)展，許多電子設備需要電

20、抗器、濾波器和抗干擾器件來保證其工作質量。由于鐵基納米晶合金所具有的磁性特點，使其制作的電感元件具有抗飽和能 力強、電感量大、品質因素高、溫度穩(wěn)定性好、體積小、高效節(jié)能等特點，因而其制作的磁性器件 已日益廣泛地應用于衛(wèi)星通訊設備、精密測控設備、工業(yè)整流設備、各種開關電源、逆變電源和計 算機設備等。上海鋼鐵研究所不僅開發(fā)岀帶材卷繞的0型、C型和環(huán)形切口鐵芯，而且還研制開發(fā)出鐵其納米磁粉芯產品，用作這些磁性器件，其有效磁導率卩e從幾十到幾萬，完全可以滿足各種場合的需要。在高靈敏度場合下的應用鐵基納米晶合金材料具有高的初始磁導率，且性能穩(wěn)定，特別適用作高靈敏度場合的磁性器件， 保證其反應迅速、準確、

21、穩(wěn)定性好。上海鋼鐵研究所首先將鐵基納米晶合金材料成功應用于漏電保 護開關和互感器，尤其是高精度漏電保護開關，每年有幾十萬只鐵芯供用戶使用。國外工藝技術新進展大塊鐵磁性非晶合金鐵基納米晶合金是在非晶基礎上晶化處理獲得的，采用冷卻速度約為 106C /秒的超忽冷凝固技術制備，需要特殊工藝裝備。近年來日本學者井上明久發(fā)明了銅鑄造法制取大塊鐵磁性非晶合金，雖 然磁性能(見表1)尚達不到現(xiàn)有鐵基納米晶合金材料的性能，但經過成份和工藝調整，提高磁性 能，并結合非晶合金固有的高強度、高耐磨性及耐腐蝕性等特性，有望在某些特殊場合具有良好的 應用前景。表1大塊鐵磁性非晶合金的磁性能及有關參數(shù)合金B(yǎng)s(T)He(A/M)卩e(1kHz)入s6(x10 )Te(K)臨界冷速Re(K/S