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电炉新闻

中频电源产业的发展趋势连载(2)

时间:2012-5-4 9:22:06   作者:www.zplw.net   来源:中频炉信息网   阅读:1139   评论:0
内容摘要:(4) 齐全的保护功能目前,中频电源中所使用的功率器件价格较贵,其控制电路也比较复杂,另外,中频电源的负载中一般都含有大量的集成化程度很高的器件,这些器件一般耐受电、热、冲击能力都较差,因此,电源的保护应兼顾本身和负载的安全。目前保护的种类很多,如:极性保护、程序保护、过流保...

(4) 齐全的保护功能
目前,中频电源中所使用的功率器件价格较贵,其控制电路也比较复杂,另外,中频电源的负载中一般都含有大量的集成化程度很高的器件,这些器件一般耐受电、热、冲击能力都较差,因此,电源的保护应兼顾本身和负载的安全。目前保护的种类很多,如:极性保护、程序保护、过流保护、过压保护、欠压保护、过热保护等。由于中频电源的种类很多,用途各异,所以,对保护的要求也各有侧重,具体保护的设置应按具体要求而定。中频电源中加了保护电路后,势必增加元器件,反过来又会影响系统的可靠性,为此要求保护电路本身的可靠性一定要高,以提高整个系统的可靠性,进而提高电源本身的MTBF,这就要求保护的逻辑严密,电路简单,元器件最少,除此而外还要考虑所保护电路本身出现故障的维修度,确保电源的正常工作和高可靠性。

2.2降低成本的主要途径
降低成本的主要途径如下:
采用先进的产品设计管理模式,尽力缩短产品研发周期;
中频加强全员质量意识,把产品质量贯穿于设计和生产的全过程,力争产品一次合格率100%,确保合同履行率100%与顾客满意度100%;
电源产品的性能以满足用户为宜,不须过分地追求高指标并合理地选择元器件、原材料,尽可能地降低成本;
重视人才资源管理,走以人为本的路子,不但要培养、尊重和爱护人才,还要合理地安排和使用,有效地发挥其作用,绝不浪费人才资源;
以最大的信息量和信誉度加大市场占有率和资金回收率。
3、高频、高效、低压大电流化、标准化是开关电源的发展趋势
3.1 在封装结构上正朝着薄型和超薄型方向发展
以前标准模快的高度是12.7mm(0.5英寸),最近已下降到9.53mm(0.375英寸),一般客户要求薄型封装尺寸为7.5mm(0.295英寸),8.5mm(0.335英寸),10mm(0.394英寸)。外形尺寸趋于国际标准化尺寸,多为1/8、1/4、1/2、3/4和全砖式结构,输出端子相互兼容的设计日趋明显。模块内部控制电路倾向于采用数字控制方式,非隔离式DC/DC变换器比隔离式增长速度快,分布式电源比集中式电源发展快。
3.2 低电压大电流化
随着半导体工艺等级未来十年将从0.18μm向50nm迈进,芯片所需最低电压最终将变为0.6V,但输出电流将朝着大电流方向发展。据市场调查,随着半导体工艺的发展,电源对各种电压的需求百分率走势中频电源电压有下降趋势,估计不久将来1V及1V以下的中频电源需求量将会有明显增加。
3.3 高效化
应用各种软开关技术,包括无源无损软开关技术、有源软开关技术(如ZVS/ZCS谐振、准谐振)、恒频零开关技术、零电压、零电流转换技术及目前同步整流用MOSFET代替整流二极管都能大大地提高模块在低输出电压时的效率,而效率的提高使得敞开式无散热器的电源模块有了实现的可能。这类模块是当今世界模块发展的潮流,必将得到广泛应用。随着器件性能的改变,电源效率即将达到92%(5V)、90%(3.3V)、87.5%(2V)。
3.4 大电流和高密度化
1991年高功率密度定义为每立方英寸输出功率25W,以后逐年增加,1994年为每立方英寸36W,1999年为每立方英寸52W,到2001年为每立方英寸96W,现在每立方英寸达数百W。在全球范围内高功率密度直流转换模块市场以每年16.8%的增长速度向前发展。输出电流将增长到半砖80A、1/4砖50A。目前,日本TDK公司推出新一代分布式隔离型DC/DC转换器,其参数为1/4砖输入电压42V~58V、输出电压12V、输出电流27A、效率为95%,功率密度已达每立方英寸236W;1/8砖输入电压42V~58V、输出电压12V、输出电流13.5A、效率为95%,功率密度已达每立方英寸214W。
3.5 高频化
为了缩小开关电源的体积,提高电源的功率密度并改善动态响应,小功率DC/DC变换器的开关频率已由现在的200kHz~500kHz提高到1MHz以上,但高频化又会产生新的问题,如开关损耗以及无源元件的损耗增大,高频寄生参数的影响以及高频电磁干扰增大等。

4、一流中频电源产品离不开先进的元器件及先进的工艺
4.1 功率器件的发展是电源技术发展的基础
功率MOSFET是目前最快速度的功率器件。目前较先进的水平电压可达1200V,电流可达60A,频率可达2MHz,导通电阻可达0.1Ω左右。提高器件耐压,同时减小其导通电阻仍是今后MOSFET的主要研究方向。
绝缘栅双极型晶体管IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的电力电子器件,它的控制极为绝缘栅控场效应晶体管,输出极为PNP双极功率晶体管,因而具有两者的优点,而克服了两者的缺点。目前耐压可达6.5kV,电流可达1.2kA,今后的主攻方向仍是扩大容量,减小内阻,以减小导通损耗。由于IGBT经常工作在高频、高压、大电流状态下,又由于电源作为系统的前级,易受电网波动、雷击影响,容易损坏,故IGBT的可靠性直接影响电源可靠性,所以,在选择IGBT时,除作降额考虑外,对IGBT的保护设计也极为重要。
IGCT是GTO的更新换代产品,它应用了分布集成门极驱动,浅层发射极等技术。器件的开关速度有一定提高,同时减少了门极驱动的功率,应用方便,IGCT的出路仍然是高电压、大容量。
4.2 变压器与磁性元件
随着电力电子技术的发展和成熟,人们逐渐认识到磁性元件不仅是电源中的功能元件,同时其体积、重量、损耗在整机中也占相当比例。据统计,磁性元件的重量一般是变换器总重量的30%~40%,体积占总体积的20%~30%,对于模块化设计的高频电源,磁性元件的体积、重量所占的比例还会更高。另外,磁性元件还是影响电源输出动态性能和输出纹波的一个重要因素。因此,要提高电源的功率密度、效率和输出品质,就应对减小磁性元件的体积、重量及损耗的相关技术进行深入研究,以满足电源发展的需要。
对于低、中频电源的变压器,建议采用R型变压器,其特点是损耗低,体积小,无噪声,抗干扰能力强。目前发展状况是单相功率范围已扩展到1VA~100kVA,三相功率范围已扩展到315kVA。未来主攻的方向是设法克服应用中冲击电流比较大的缺点。
对于高频变压器,主要用于各种形式的开关电源,频率为20kHz~500kHz,功率可做到数十kW,所用材料主要是非晶、微晶、超微晶、软磁铁氧体材料。当变压器工作频率大于700kHz时,变压器中的涡流损耗将急剧增加,约占总损耗的80%,为减小其损耗,必须在功率铁氧体材料中加纳米添加剂,从而出现了用纳米晶软磁合金和纳米晶磁材制成的各种变压器。当前比较好的有日本TDK公司、FDK公司所提供的高频磁芯和德国VAC公司所推出的超微晶磁材,这种磁材具有非常高的初始导磁率,一般高达几万,而材料所使用的频率为300kHz~1MHz,中心频率为500kHz。
目前,磁性材料最高工作频率可达1.5MHz,这就是我国浙江天通公司所研制的MnZn铁氧体TP5A材料。以上这些材料所制成的变压器有贴片式变压器、印制焊接式变压器、变压器模块、各种形式的分体式变压器、插入式变压器、PCB平面变压器及多层线路板平面变压器。而平面多层变压器,目前佩顿公司已能提供功率为5~25kW,频率为50kHz到2MHz的一系列PM产品,预计最近几年电源变压器需求旺盛,已成为迅速发展的热门产品,而电子变压器未来发展的目标是轻量、高效、高密度化,电源变压器发展的目标是表面安装、高功率和高压化。
4.3 磁集成技术的发展和应用
所谓磁集成技术,就是将变换器中的两个或多个分立磁体绕制在一副磁芯中,从结构上集中在一起。集中后的磁件拟称为集成磁件,通过一定的耦合方式,合理的参数设计,能有效地减小磁体的体积和损耗。在一定应用场合,还可以减小电源输出纹波,提高电源输出的动态性能。另外,磁集成技术明显能减小连接端,可有效地减少大电流场合端子的损耗。


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