开关电源及其功率材料的场与技术动向精

1、开关电源及其功率材料的市场与技术动向黄 刚（899 厂高级工程师）在电脑、电子仪器和通讯系统中应用极为广泛的开关电源， 在近半个世纪的发展过程中，因具有 轻、小、高效等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，成为电子电源中的主流产品。人们 在开关电源技术领域里，边开发相关电子技术，边开发新型功率材料和元器件，两者相互促进，推 动着开关电源每年以超过两位数的增长率向轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰方向发展。开关电源迅速发展的成因工作原理的牵引 开关电源的工件原理是基于半导体开关管接通或断开，在理论上有最低损耗点。新开发的谐振转换器在原理上又可以把开关元件的电压、电流波形作成零交叉，使开关损耗

2、减小到 零。这就使开关电源具有发热量低、效率高等特点，因而适应了全球节能化的需要。小型化的追求 小型化是电子整机必然的发展趋势，传统的串联调节式电源被开关调节式电源取 代，这更容易实现电子整机的小型化。高频化的趋势 开关频率的提高意味着变压器体积的减小， 因此， 电子整机高频化将推动电源向小 型化发展。小型元件奠定基础 变压器、半导体晶体管、 滤波电容器和电感线圈是开关电源的关键元件， 这些 元件的不断小型化和高智能化，为电源小型化发展创造了条件。开关电源的市场现状与发展开关电源分 AC/DC和DC/DC两大类。主要适用领域有计算机、通讯办公设备、控制设备、电子仪器等投资类产品及电视、摄像机、

3、VCD（ DVD、电子游戏机等消费类产品。目前全球开关电源制造厂商约 500 家。 1992 年世界开关电源的销售额为 84亿美元，到 1999 年已达 166亿美元，其间的综 合年增长率在10%以上，高于世界电子产品的整体发展水平（8.8%），其中DC/DC产品的市场份额从 20%上升到 24%。刺激开关电源市场进一步扩大并将继续推动开关电源技术进步的主要用户是计算 机及其外围设备； 另外， 快速发展的通信及消费品市场也正逐渐成为开关电源装置制造厂家的重心。主要技术革新的进步如功率系数的校正、相位调制、高频电源转换、零电压及零电流转换、单片式 转换器为该工业注入了新的活力。随着这些技术实用化

4、的进步，开关电源的设计会得到大大改良。日本是开关电源产量最大和自动化生产技术水平最高的国家，采用表面安装元器件（SMC/SMD）和厚膜技术将大多数电子电路元件组成混合集成电路， 生产加工实现了自动化， 从而提高了可靠度， 降低了成本，产品真正做到了轻、小、薄（如利用集成电路技术将开关电源中2W以下的电路元件与集成电路做成了 Smart Power IC ）。表面安装技术（SMT和高密度安装的广泛使用，已经导致更小型电源的岀现。自从MOS场效应晶体管的价格降低和尺寸缩小之后，日、美、欧采用MOS场效应晶体管的小型化开关电源陆续被开发岀来，这些新产品的工作频率和开关速度较高，比原有产品更安全、可靠

5、，且价格低廉。日本作 为世界电子仪器设备的制造中心，对开关电源的需求最大，约占世界市场的48%，其次是美国和欧洲，分别占29%和11%我国近年计算机、通讯业发展神速，所用AC/DC DC/DC产品有很大的潜在市场。我国开关电源厂商共 100余家，大多为港台的合资企业，其年产能力在 1000 万只以上，国内市 场需求约350万只，其余均岀口国外。我国开关电源现在的主流产品中仍为线性型和ATX型电源，主要用于计算机领域。 而用于移动电话、 灯控等领域的微小型及嵌入式智能开关电源尚未批量生产。开关电源产品的技术发展动向开关电源产品的技术发展动向是高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化。小型、薄型

6、、轻量化 由于电源轻、小、薄的关键是高频化，因此国外目前都在致力于同步开发 新型高智能元器件，特别是改善二次整流管的损耗及变压器电容器的小型化，并同时采用SMT技术在电路板两面布置元件以确保开关电源的轻、小、薄。高效率 为了使开关电源轻、小、薄，高频化（开关频率达兆赫级）是必然发展趋势。而高频化 又必然使传统的 PWMT关（属硬开关）功耗加大，效率降低，噪声也提高了，达不到高频、高效的 预期效益，因此实现零电压导通、零电流关断的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流。采用 软开关技术可使效率达到85-88%。据悉，美国VICOR开关电源公司设计制造了多种ECZ软开关DC/DC3变换器，其最大输

7、岀功率有800W 600W 300W等，相应的功率密度为6.2、10、17W/cm，效率为RM系列（日本人80-90% ；日本NemicLambda公司日前推岀一种采用软开关技术的高频开关电源模块称这种技术为“部分谐振），开关频率为200-300kHz，功率密度为27W/cm,用同步整流器（即用MOS-FER弋替肖特基二极管）使整个电路效率提高到90%。高可靠 开关电源使用的元器件比连续工作电源多数十倍，因此降低了可靠性。 从寿命角度出发，电解电容器、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。追求寿命的延长要从设计方面着 眼，而不是从使用方面着想。美国一公司通过降低结温、减少器件的电应力、

8、降低运行电流等措施 使其DC/DC开关电源系列产品的可靠性大大提高，产品的MTBF高达100万小时以上。模块化 无论是AC/DC或是DC/DC变换器都是朝模块化方向发展。其特点是：可以用模块电源组成分布式电源系统；可以设计成 N+1 冗余电源系统，从而提高可行性；可以做成插入式，实现热更 换，从而在运行中出现故障时能高速更换模块插件；多台模块并联可实现大功率电源系统。此外， 还可以在电源系统建成后，根据发展需要不断扩充容量。低噪声 开关电源的又一缺点是噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之增大，采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以低噪声。但谐振转换技术也有其难点，如很难准确地控制

9、开关频率、谐振时增大了器件负荷、场效应管的寄生电容易引起短路损耗、元件热应力转向开关管等问题难以解决。日本把变压器设计成初次级分离阻燃密封，自身具备对付噪声功能的共模无噪 声隔离变压器，既节省了噪声滤波器，又减少了噪声。抗电磁干扰 （ EMI） 当开关电源在高频下工作时， 其噪声通过电源线产生对其它电子设备的干扰，世界各国已有抗 EMI的规范或标准，如美国的FCG德国的VDE等，研究开发抗 EMI的开关电源日益显得重要。电源系统的管理和控制 应用微处理器或微机集中控制与管理，可以及时反映开关电源环境的各 种变化。中央处理单元实现智能控制，可自动诊断故障、减少维护工作量，确保正常运行。计算机辅助

10、设计（ CAD） 利用计算机对开关电源系统、稳定性分析、电路仿真、印刷电路板、热 传导分析、EMI分析以及可靠性等进行 CAD设计和模拟试验，十分有效，是最为快速经济的设计方 法。产品更新加快 目前的开关电源产品要求输入电压通用（适用世界各国电网电压规模）、输出电入端功率因素进一步提高（最有效的方法是加一级“有源功率因数校正器APFC ），并具有安全、过压保护等功能。开关电源用功率铁氧体材料的现状与发展为适应开关电源轻、小、薄的要求，需要增大其开关频率。而制作开关电源变压器磁芯的Mn-Zn铁氧体材料就必须在较高频率和较大磁通密度（Bs）下具有良好的磁性能，这类材料被称为功率铁氧体或低功耗材料（

11、LPL），高性能材料应有高Bs、高0 f （居里温度）、低 Po （功耗）等特点。70 年代初，日本、欧洲厂商为适应开关电源市场的需要，开发出第一代LPL 材料，典型牌号为TDK的H35 FDK的H45,这类材料由于功耗 Po较大，且使用时温升显著，故一般只用于16-25kHz的民用开关电源，国内大多厂家批量生产水平仅能达到这一代。80 年代初，经改进实用频率为25-100kHz的第二代LPL材料被开发岀来，其最大特点是呈现负温度系数功耗（20-80 C,随温度升高，功耗呈下降趋势 ） ，能有效防止温升造成的电磁性能下降，且综合指标较好；代表性的产品有TDK的H7C1 （ PC30）、FDK的

12、6H10、西门子的 N27和飞利浦的 3C80，国内仅有 898厂的R2KBD 899 厂的RM2KB2和电子九所的 R2KH材料与之相当。80年代中后期，国外又竞相开发岀高频功耗大幅降 低，实用频率一般可达100-500kHz的第三代材料，如 TDK的H7C4 （ PC40）、FDK的6H20和6H40、西门子的 N72、飞利浦的 3C85 和 3F3，典型性能指标为：Bs=490-510mT, 0 f200C, Po=400-500mW/cni （100kHz, 200mT, 100 C）,这类材料特别适用于频率为数百kHz的高频开关电源。国内898厂、899厂和电子九所于近年通过定型生产

13、的R2KB1、RM2KB3 R2KDB达到或接近第三代材料的性能水平。进入90年代后，第四代功率铁氧体材料又开发成功，代表牌号有TDK的H7F （ PC50）、FDK的7H10和7H20、西门子的 N49和N59、飞利浦的3F4、日立铁氧体的 SM-1M 东京铁氧体（TOKIN）的 B40等，其功耗大大低于第三代材料，使用频率一般可达 500-1000kHz，可望为开关电源的进一步轻、小、薄作岀贡献。我国仅有898厂研制的R1.4K材料接近PC50的水平，该厂还采用这类材料制成了超薄型EI系列磁芯，并成功用于750kHzDC/DC转换器的主变压器和输岀扼流圈中，其线圈结构为叠层印刷式。从功率铁

14、氧体的发展趋势看，由于更高频率的开关电源的（1000kHz以上）受其它电子元件的发展限制，市场拥有量不是很大，因此目前国外软磁制造商均在现有材料系列范围内开发研究工作， 如进一步降低材料的磁芯损耗，确保磁芯温升的下降，以提高整机的传输功率。为获得良好的损耗特性，对铁氧体粉体制备、铁氧体烧结状况的控制是非常重要的。从粉体制备看，均采用高纯原材 料，使用复合添加剂，其目的是增大材料晶界电阻率，以降低磁芯损耗。控制铁氧体烧结条件（温 度曲线、气氛曲线、压力曲线）以形成均匀、致密的晶粒结构，使得材料的涡流损耗Pe、磁滞损耗Ph得以相对平衡（Po=Pe+PH, P e/Po=PH/Po=50%，确保磁芯

15、总损耗 P。的下降，从而保证了磁芯在低频 段或高频段具有良好的损耗特性。这些新材料在制造过程中值得注意的是烧结时氧浓度的变化会对 初始磁导率、品质因数和电阻率产生较大影响；升温时氧含量的变化、升温速度的变化对晶粒直径 分布、气孔状态、晶界内微量元素的偏析状态等都会带来较大的影响。为了得到晶粒直径均匀的烧 结体，在开始生成尖晶石的900-1100 C温度范围内，升温速度要慢、氧含量要低。若冷却速度快，则容易产生剩余应力，微量成分向晶界偏析变小。因此，必须缓慢冷却，按平衡气氛原理控制氧含 量的变化。在较高温度（1300 C）下烧时时，烧结体表面会有ZnO挥发，从而产生剩余应力，引起磁芯损耗增加。因

16、此为了降低ZnO挥发，也可用铁氧体粉、ZnO等作为调节物来进行烧结。综上所述，通过配方设计，改善材料居里温度，调整卩i-T曲线的变化；通过微量添加剂、控制烧结条件和粉末制备技术等，改善磁芯损耗；通过晶界结构控制、晶粒尺寸控制，降低剩余应力以 达到现代软磁功率铁氧体材料所应具备的更完病况的材料特性参数；高饱和磁通密度、高居里温度、高表观密度、超低磁芯损耗以及优良的产品外观和精确的尺寸，来满足竞争日益激烈的市场需要。 这在今后几年内将是功率铁氧体材料的发展趋势。下表列出了开关电源的传输功率及其适用磁芯（所用功率铁氧体为第三代材料）。项目磁芯种类（100kHz）传输功率/WEc（ETD）型磁芯EE型

17、磁芯RM PQ P型磁芯500EC70EE65、EE85P59X 40、PQ50精密电流互感器随着电力工业的迅速发展，高电压输电线路日趋增多，因而对电流互感器的需求量也日益剧增，且随着电流互感器要求准确度达0.2级以上和仪表保安系数 Fsw 5，以往的硅钢已无能为力，只有高磁导率的坡莫合金和纳米晶合金才能满足要求，后者价格只有前者的40-50%，显然铁基纳米晶软磁合金是用作电流互感器铁芯的首选材料。仅上海钢铁研究所和相关协作单位每年要加工近百吨铁其纳米晶合金带材，研制成二十多种规格，如内径$ 50-500mm、外径$ 100-600mm、高度15-150mm的铁芯，应用在 3.5KV、110K

18、V、220KV和500KV高压供电线路中，产生了良好的经济效益和社会效 大功率开关电源变压器高频大功率开关电源是铁基纳米晶合金应用的独特领域，其工作频率为20-50KH z，输岀功率在10KW以上，电源变压器效率在90%以上，还要求体积小，温升低。因而其电源变压器铁芯必须具备下列要求：（1）高饱和磁感强度；（2）高磁导率；（3）高频损耗低。铁基纳米晶合金材料正好具 备这些条件，深受用户重视。上海钢铁研究所研制的大功率通讯电源变压器铁芯在某公司获得极大 的成功应用；还研制岀大功率高频变压器铁芯、高频淬火设备电源变压器铁芯和大功率逆变焊机用 电源变压器铁芯，满足了不同用户的需求。北京钢铁研究总院已

19、开发岀系列逆变焊机用电源铁芯供 用户使用，功率为 2KW-25KW（20KHz）。目前这一应用领域还在日趋增加。开关电源随着开关电源向小型化、低噪声、高速反应和高可靠性发展，开关电源的频率也在不断提高。开关电源中使用的磁性器件较多，常用的有主变压器（高频功率变压器）、电流互感器、饱和扼流圈、饱和电抗器、滤波器和尖峰信号抑制器等等。使用纳米晶合金材料制作这些磁性器件，既能解决损耗、体积和温升三者的难题，又能降低成本，满足使用要求。除开关电源外，这类铁芯还可用于 DC/DG逆变电源和脱扣电源的相关磁性器件。电抗器、滤波器及抗电磁干扰器件随着电子技术向高频、大功率和电子化方向发展，许多电子设备需要电

20、抗器、滤波器和抗干扰器件来保证其工作质量。由于铁基纳米晶合金所具有的磁性特点，使其制作的电感元件具有抗饱和能 力强、电感量大、品质因素高、温度稳定性好、体积小、高效节能等特点，因而其制作的磁性器件 已日益广泛地应用于卫星通讯设备、精密测控设备、工业整流设备、各种开关电源、逆变电源和计 算机设备等。上海钢铁研究所不仅开发岀带材卷绕的0型、C型和环形切口铁芯，而且还研制开发出铁其纳米磁粉芯产品，用作这些磁性器件，其有效磁导率卩e从几十到几万，完全可以满足各种场合的需要。在高灵敏度场合下的应用铁基纳米晶合金材料具有高的初始磁导率，且性能稳定，特别适用作高灵敏度场合的磁性器件， 保证其反应迅速、准确、

21、稳定性好。上海钢铁研究所首先将铁基纳米晶合金材料成功应用于漏电保 护开关和互感器，尤其是高精度漏电保护开关，每年有几十万只铁芯供用户使用。国外工艺技术新进展大块铁磁性非晶合金铁基纳米晶合金是在非晶基础上晶化处理获得的，采用冷却速度约为 106C /秒的超忽冷凝固技术制备，需要特殊工艺装备。近年来日本学者井上明久发明了铜铸造法制取大块铁磁性非晶合金，虽 然磁性能(见表1)尚达不到现有铁基纳米晶合金材料的性能，但经过成份和工艺调整，提高磁性 能，并结合非晶合金固有的高强度、高耐磨性及耐腐蚀性等特性，有望在某些特殊场合具有良好的 应用前景。表1大块铁磁性非晶合金的磁性能及有关参数合金Bs(T)He(A/M)卩e(1kHz)入s6(x10 )Te(K)临界冷速Re(K/S