全球高功率电源变压器项目建议分析报告

全球高功率电源变压器项目建议分析报告第一章高功率电源变压器概述第一节高功率电源变压器定义在高压开关电源中，实现能量的存储和传递、用以隔离和升压的高频变压器是项目设计的关键和难点，其性能的好坏不仅直接影响到输出是否产生波形的畸变及能量传输的效率，它在绝缘、寄生、损耗、电晕放电及整流等方面与其它普通变压器有着明显的不同第二节高功率电源变压器行业发展历程为了减小电力电子设备的尺寸与重量，现已将其工作频率提高到了MHz级。众所周知，影响功率变换器整体尺寸与重量的主要问题是其中磁性元件的尺寸重量。在研制这个频率范围的高效磁性元件时，必须重点关注其趋肤效应和涡流损耗给绕组和磁心设计以及相应地给磁心材料和导体材料品种规格的选用所带来的种种限制。我们对工作频率为2MHz，功率密度大于400W/cm3，功率范围在50~100W，输出电压为1.5V，效率高于99%的电子变压器设计进行讨论。为了达到上述指标，首先必须增加绕组的铜箔密度，使其超过常规多股绞合线的密度，并解决以铜箔曲绕技术制造多层绕组的工艺问题。这种绕组省去了绕组层间的外连线，这样就构成了紧密交叠的Z字形绕组结构，以此实现了高的铜箔绕组密度，低铜损和极低的漏感。电子元器件的小、薄、轻量化是随桌面个人计算机、手提电脑和移动通信等电子设备的小型化和多功能化发展需求而被逐步推进的。由于在电子设备中，磁性元件占其体积重量的比例在25%以上，所以，长期以来，人们对于能够输送低电压大电流、低损耗且占用安装面积小、散热性好等性能的小型化电子变压器就特别关注。在这些要求下，上世纪80年代即出现了分布式电源系统，致使可以采用小型电源组件供给单个电路板安装。例如，提供桌面个人计算机的开关电源具备了200W功率，输出电压为5V和12V，效率为80%，封装功率密度为1W/in3.此后，随采用新的高效电源拓朴结构和谐振，准谐振开关法以减小开关损耗，且工作频率提高到MHz级，不仅使电路中的磁性元件的尺寸大大减小，而且开发出了100W及以上输出功率，输出电压低达1.5V，效率为99%的紧凑型电子变压器。这种紧凑型变压器的设计，首先遇到的问题是要在高功率密度和高效率两者间作折衷选择，其研制出的主要技术是使用铜箔交叠的平面绕组结构，以增加铜箔密度的方法减小在高频（MHz级）范围内的趋肤效应和涡流损耗。有文献报道，据计算，采用的铜箔厚度小于4.3mil（密耳）（此厚度尺寸为2MHz频率时，铜之趋肤深度的两倍）制成平面环形单匝，若要得到75的次级单匝电阻值，对于51mil的内层单匝而言，如果其外层采取两层并联，则外层单匝半径需要9.79寸，如果是四层并联，则为7寸。所以，为了保证获得足够小的安装面积，必须将许多单匝层并联起来，形成一种近似于立方体的几何结构。磁性电子元件（主要指电子变压器和电感器）的小型薄型化进程，在普通立体变压器电感器的基础上，至今已经历了三个发展阶段和具有了以下几种类型：第一个发展阶段是平面型（薄型）电子变压器现已系列化大批量生产。第二个发展阶段是片式化变压器、电感器，它们是随SMT工艺技术的发展而逐步完善的，目前也已形成系列与批量。第三个发展阶段是薄膜型变压器和电感器，已这四个阶段发展起来的各种类型的变压器电感器各有其应用领域，并没有随发展阶段而逐代完全被替代的情况。小、薄、轻型化变压器电感器与常规立体变压器电感器比较，具有相当明显的优点。上述各种小型化磁性元件的制造工艺，可以说已经相对成熟，但平面线绕线圈型、PCB型及其混合型磁性元件，不适用于极低电阻的磁性元件。而且，PCB制造法的磁性元件用外部引脚实现层间互连，这就显着增大了互连电阻，也就限制了更多层数线圈的使用。混合型元件制造中，容易受厚膜胶相对较大的电阻率以及印制导体厚度的限制。而很多层数交叠折绕的平面铜箔绕组，可以获得极低的电阻，它主要受限于小电流的单层设计及桶形绕组的结构。我们讨论的变压器设计制造中，研究探讨了多种曲挠绕组的方法，其中PCB铜箔印制绕组包括了制作层间互连线，从而得到了Z字形折叠多层初级绕组；用类似的方法进行Z字形折叠，并在敷铜箔上引出中心抽头，在各层铜箔上焊接上铜箔匝输出端并将各层的输出端并联，即可制成次级绕组。在Z字叠层制作过程中，应同时采用初次级叠层间的适当重叠次序，以保证初级层与次级层间的紧密交叠。第三节高功率电源变压器分类情况根据传送功率的大小，电源变压器可以分为几档：10kVA以上为大功率，10kVA～0.5kVA为中功率，0.5kVA～25VA为小功率，25VA以下为微功率。一般常用电源变压器的分类可归纳如下：(1)按相数分：(1)单相电源变压器：用于单相负荷和三相电源变压器组。(2)三相电源变压器：用于三相系统的升、降电压。(2)按冷却方式分：(1)干式电源变压器：依靠空气对流进行冷却，一般用于局部照明、电子线路等小容量电源变压器。(2)油浸式电源变压器：依靠油作冷却介质、如油浸自冷、油浸风冷、油浸水冷、强迫油循环等。(3)按用途分：(1)电力变压器：用于输配电系统的升、降电压。(2)仪用变压器：如电压互感器、电流互感器、用于测量仪表和继电保护装置。(3)试验变压器：能产生高压，对电气设备进行高压试验。(4)特种变压器：如电炉变压器；(4)按绕组形式分：(1)双绕组变压器：用于连接电力系统中的两个电压等级。(2)三绕组变压器：一般用于电力系统区域变电站中，连接三个电压等级。(3)自耦变电器：用于连接不同电压的电力系统。也可做为普通的升压或降后变压器用。(5)按铁芯形式分：(1)芯式变压器：用于高压的电力变压器。（2）非晶合金变压器：非晶合金铁芯变压器是用新型导磁材料，空载电流下降约80[%]，是目前节能效果较理想的配电变压器，特别适用于农村电网和发展中地区等负载率较低的地方。(3)壳式变压器：用于大电流的特殊变压器，如电炉变压器、电焊变压器；或用于电子仪器及电视。第四节高功率电源变压器产业链分析一、产业链模型介绍产业链定义：即从一种或几种资源通过若干产业层次不断向下游产业转移直至到达消费者的路径，它包含四层含义：一是产业链是产业层次的表达。二是产业链是产业关联程度的表达。产业关联性越强，链条越紧密，资源的配置效率也越高。三是产业链是资源加工深度的表达。产业链越长，表明加工可以达到的深度越深。四是产业链是满足需求程度的表达。产业链始于自然资源、止于消费市场，但起点和终点并非固定不变。产业链是一个包含价值链、企业链、供需链和空间链四个维度的概念。这四个维度在相互对接的均衡过程中形成了产业链这种“对接机制”是产业链形成的内模式，作为一种客观规律，它像一只“无形之手”调控着产业链的形成。产业链是产业经济学中的一个概念，是各个产业部门之间基于一定的技术经济关联，并依据特定的逻辑关系和时空布局关系客观形成的链条式关联关系形态。产业链主要是基于各个地区客观存在的区域差异，着眼发挥区域比较优势，借助区域市场协调地区间专业化分工和多维性需求的矛盾，以产业合作作为实现形式和内容的区域合作载体。产业链的本质是用于描述一个具有某种内在联系的企业群结构，它是一个相对宏观的概念，存在两维属性：结构属性和价值属性。产业链中大量存在着上下游关系和相互价值的交换，上游环节向下游环节输送产品或服务，下游环节向上游环节反馈信息。产业链分为接通产业链和延伸产业链。接通产业链是指将一定地域空间范围内的断续的产业部门(通常是产业链的断环和孤环形式)借助某种产业合作形式串联起来；延伸产业链则是将一条既已存在的产业链尽可能地向上下游拓深延展。产业链向上游延伸一般使得产业链进人到基础产业环节和技术研发环节，向下游拓深则进入到市场拓展环节。产业链的实质就是不同产业的企业之间的关联，而这种产业关联的实质则是各产业中的企业之间的供给与需求的关系。随着技术的发展，迂回生产程度的提高，生产过程划分为一系列有关联的生产环节。分工与交易的复杂化对使得在经济中通过什么样的形式联结不同的分工与交易活动成为日益突出的问题。\o"企业组织结构"企业组织结构随分工的发展而呈递增式增加。因此，搜寻一种企业组织结构以节省\o"交易费用"交易费用并进一步促进分工的潜力，相对于生产中的潜力会大大增加。企业难以应付越来越复杂的分工与交易活动，不得不依靠企业间的相互关联，这种搜寻最佳企业组织结构的动力与实践就成为产业链形成的条件图表SEQ图表\*ARABIC1产业链形成模式示意图如图所示，产业链的形成首先是由\o"社会分工"社会分工引起的，在交易机制的作用下不断引起产业链组织的深化。在图中，C1、C2、C3表示社会分工的程度，其中，C3>C2>C1表示社会分工程度的不断加深；A1、A2、A3表示市场交易的程度，A3>A2>A1表示市场交易程度的不断加深；B1、B2、B3表示产业链的发展程度，其中，B3>B2>B1表示产业链条的不断延伸和产业链形式的日益复杂化。三个坐标相交的原点0，表示既无社会分工也无市场交易更无产业链产生的初始状态。从C1点开始，而不是从坐标原点开始，意味着社会分工是市场交易的起点，也是产业链产生的起点社会分工C1的存在促进了市场交易程度A1的产生，在A1作用下，需要B1的产业链形式与它对接B1这种产业链形式的产生又促进了社会分工的进一步发展，于是，社会分工就从C1演化到C2。相应地，在C2的作用下，市场交易程度从A1发展到A2，A2又促进了产业链形式从B1发展到B2。接着，按照同样的原理，B2促使C2发展到C3，C3又促使A2发展到A3，A3又促使产业链从B2发展到B3⋯⋯如此周而复始，使产业链不断形成发展。产业链形成的动因在于产业价值的实现和创造产业链是产业价值实现和增值的根本途径。任何产品只有通过\o"最终消费"最终消费才能实现，否则所有中间产品的生产就不能实现。同时，产业链也体现了产业价值的分割。随着产业链的发展，产业价值由在不同部门间的分割转变为在不同产业链节点上的分割产业链也是为了创造产业价值最大化，它的本质是体现“1+1>2”的价值增值效应。这种增值往往来自产业链的\o"乘数效应"乘数效应，它是指产业链中的某一个节点的效益发生变化时，会导致产业链中的其他关联产业相应地发生倍增效应产业链价值创造的内在要求是：\o"生产效率"生产效率≥内部企业生产效率之和(协作乘数效应)；同时，交易成本≤内部企业间的交易成本之和(分工的\o"网络效应"网络效应)。企业间的关系也能够创造价值。价值链创造的价值取决于该链中企业间的\o"投资"投资。不同企业间的关系将影响它们的投资，并进而影响被创造的价值。通过鼓励企业做出只有在关系持续情况下才有意义的投资，关系就可以创造出价值来。二、高功率电源变压器产业链模型