中国开关电源市场及产业发展分析
作者:李靖 文章来源: 更新时间:2004-10-25
一、市场分析
开关电源的研究开发和生产是从七十年代兴起的,八十年代初中国也开始了开关电源的研究工作,现在,开关电源已经在各种整机产品上得到了广泛的应用,其发展速度是惊人的.其应用领域主要有:
1、邮电通信:作程控交换机.移动通信基站电源.
2、计算机:作为各种PC机.服务器、工业控制机的开关电源.
3、家用电子产品:目前使用开关电源的家用电子产品有电视机、影碟机等.
4、其它行业:如电力、航天.军事等领域.
1.1国际开关电源市场情况
据Frost&Saullivan公司的资料显示,1999年,全球开关电源市场的规模从1992年的84亿美元猛增至166亿美元,平均年增长率为10%.这是由于作为电源和开关电源最主要用户的计算机及其外转设备市场的不断发展,以通讯通信业的异军突起,促进了开关电源市场的日益增长,使全球开关电源市场呈现出十分美好的前景.
目前,在计算机、电子仪器仪表和通信设备中应用得最多的开关电源,有AC/DC、DC/DC两种.到2000年,AC/DC产品所占的市场份额,将从1992年的80%减少为76%,而DC/DC产品所占的市场份额,将从1992年的20%增长为24de.开关电源除了主要应用在计算机、仪器仪表和通信领域之外,还普遍应用在通用工业和消费电子产品领域.
开关电源产品的主要特点是体积小、重量轻、效率高,正在向着模块化、扩大输出电压范围、提高输人端功率因数、抗电磁干扰性强以及附加备用电池的方向发展.在开关电源领域,正在开展一系列的技术革新,例如功率系数的校正、相位调制、高频电源、零电压和零电流转换以及单片式转换调节器等,所有这些改进,都使开关电源的性能和效率大为提高,使其应用范围大大拓宽,尤其在新兴的通信领域大有用武之地.
1998年上半年,世界上生产开关电源的厂商已达600多家.虽然开关电源的厂商不少,但是由于业内的竞争异常激烈,目前还没有哪一家厂商能独家垄断市场.
日本和美国的电子工业和通信业很发达,因此对开关电源的需求量非常大.日本约占全球市场的50%;美国约占29%;欧洲约占11%;亚洲(除日本以外)约占5%.虽然亚洲目前在全球开关电源市场上所占比例尚小,但是,据Frost&Sullivan公司预测,到2000年,由于亚洲通信业的高速发展,对开关电源的需求也将与日俱增,其需求量在全球市场上的比例将翻一番,上升至10%,并且这个比例还将在对世纪初期继续增长,从而成为世界上最有发展潜力的开关电源市场之一.
1.2国内开关电源市场分析
市场需求量:
1．计算机行业
开关电源作为计算机中的供电系统,与计算机在数量上有着1:1的关系,历年我国计算机市场需求情况如下表所示:
年份 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 销售量 45.0 71.8 115.0 210.0 350.0 420.0 500.0 增长速度 80% 59.6% 62.2% 82.6% 66.7% 20.0% 19.0%
其中,需要高频开关电源产品的笔记本电脑各年销售情况为:
项目 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 销售量 1.5 2.8 5.2 10.5 18.0 25.0 30.9 增长率 86.7 85.7 101.9 71.4 38.9 23.6 占PC市场比例% 3.3 3.9 4.5 5.0 5.1 6.0 6.2 按产值计算,1999年计算机工业对开关电源的需求规模将达到5亿元,而且今后将以不低于15%的速度增长.
年份 1995 1996 1997 1998 1999 程控交换机市场容量 1104 1386 2659 3325 4023 程控交换机年增长率25.54% 91.85% 25.05% 20.99% 局用交换机市场容量 749 990 1725 3096 3700 局用机年增长率 32.18%74.24% 79.48% 19.51%
2.邮电通信业
邮电通信业的快速发展为开关电源提供了广阔的市场空间.通信电源是通信系统的心脏.我国电信网不断扩大,多种业务网建成,对通信电源需求量很大,要求多种多样,电源技术日新月异,电源维护体制正在发生变化,不少厂家抓住机会,顺应客户要求,取得了成功.
通信电源系统包括交流高低压配电、AC/DC开关电源系统,DC/AC逆变器,直流配电系统,备用供电系统(包括电池、油机和UPS),监控系统等.其中投资最大的是开关电源系统,它把市电转为电信设备需要的直流电.
一、电信部门需求的变化
1．市场需求量
我国的通信网每年要装近2000万线交换机、数万端传输设备、数百万线接入网设备、上万个移动通信基站、数十万端口的数据通信设备,需要大量的通信电源,单单开关电源市场就有18-20亿元.
用户交换机由于已经过了黄金时期,由于通信技术的不断进步,正处于一个缓慢发展的时期.每年的市场需求量为300万线左右.
按照原邮电部的规划,1998年新增局用交换机1700万门,移动电话交换机1000万户,信道60万个,发展电话用户2000万户,其中移动电话用户800万户,全国电话普及率达到9.7%.发展数据通信与多媒体用户40万户.而从实际执行情况看,1999年上半年,局用交换机产量已达2362万线、销量2268万线,预计产量到年底将达4023万线.预计到1999年底,用户程控交换机总量将达到2000万线左右.
按照原邮电部的规划,为建设和完善城乡本地网,到2000年全国电话交换机总容量达到1.7亿(需增容约8500万门),其中局用交换机容量达到1.5亿门(需新增7900万门),用户交换机容量达到2000万门(需新增月600万门).2010年全国电话交换机总容量达到4.2亿门(需新增25亿门),其中局用电话交换机容量达到3.6亿门(需新增2.1亿门),用户交换机容量达到6000万门(需新增4000万门).按现在的发展速度看,这个数字显然过于保守.需要进行一定程度的调整.
2通信电源系统供电体制和维护体制的变化
交换系统、传输网、信令网、同步网、智能网、数据网、移动网等对电源有不同的需要.通信局站的楼层越来越多.我国目前的集中供电方式已不适应这种情况.电信部门为提高效率,要求对电源无人值守,远程监控.
技术进步为电源维护体制的改变创造了条件.高频开关电源和免维护电池则可以放在设备分,实现分散供电;采用远程监控技术则可以实现集中维护.目前,我国正在实现电源供电体制和维护体制的变革;
(1)从原来在局站设立独立电源室的集中供电方式,转向为各楼层,或为各个业务网分别供电的分散供电方式.
(2)由原来分散维护,转为集中维护.电信总局要求3-4年内完成电源、空调集中监控管理.
3．对厂家的要求
(1)满足不同电信网对电源的要求.例如,移动通信基站电源,要求小容量、能无人值守、远程监控、有电池测试功能、防雷性能好、高可靠性、适应恶劣电网等.
(2)提供的设备有智能接口.
(3)为用户提供整体方案.由于先进技术的不断采用供电系统本身的复杂性、维护体制的剧烈变化等,要求供应商为用户提供整个供电系统的设计、安装、维护、维修等方面的技术支持和培训.由于各厂家产品的监控控系统不兼容,很多电信部门会要求整个供电系统由一个厂家提供.这就要求厂家对供电系统各个方面有全面的知识,健全的产品线,能为电信部门提供整体方案.
二、通信电源市场的竞争
1．我国通信开关电源市场发展过程
80年代末我国的通信电源主要由邮电部武汉电源厂生产,邮电部解除电信设备管制后,国内出现一大批通信电源厂家,目前约有300家.
采用PWM技术的高频开关电源最高效率可达93%,体积较小,相控电源效率仅60%,高频开关电源逐步代替相控电源.
90年初到中期,交换机装机量大增,且都是国外上一代交换机,耗电量比较大,大容量开关电源需求量占比例最大.厂家主要关注48V/100A,200A大整流模块组成的大中容量开关电源.开发、引进和合资产品重点是大中容量电源.开始,大功率开关电源模块主要靠引进,以后国内也开发出大功率开关电源.国内华为、武汉邮电通信设备厂和珠海通信电源厂与研究单位合作开发出了200A和100A电源整流模块.
随后交换机装机量增长平稳.但新装交换机的耗电量很低,例如新的S1240-J系列每万线耗电量只有176A,而上一代S1240高达650-700A;国内开发的交换机,比如华为C&C08每万线只有100A,这就减少了对大功率电源的需要.
移动通信发展很快,每年都要装大量基站.移动通信的电源系统比例增大.随着维护体制的变化,要求建立动力设备及环境集中监控系统,不少厂家在开发这种产品.
2厂商情况
目前,通信开关电源主要供应商向几个大企业集中,华为通信股份有限公司和武汉洲际通信电源集团有限责任公司就占全国市场的一半.
以下是主要的通信电源供应商,这些企业有全面的知识和产品,能为用户提供整体方案.
(1)武汉洲际通信电源集团有限责任公司.
它是邮电工业总公司下属企业,1998年初由邮电部武汉电源厂和武汉邮电通信设备厂合并而成,前者1997年销售额为4.097亿元,后者在通信开关电源上为1亿元.邮电部武汉电源厂引进国外技术(其中有澳大利亚整流技术公司和阿尔卡特公司).武汉邮电通信设备厂与邮电部设计院合作开发了48/125A整流模块.该公司产品能满足各种容量的要求.已与北京邮电大学合作开发出动力设备及环境集中监控系统.洲际也生产蓄电池.
(2)华为通信股份有限公司
它是华为技术公司控股的一个公司.1994年推出小容量电源系统,后与国内一研究单位联合开发出48V/220A整流模块,现已开发出各种容量整流模块.1997年华为通信股份有限公司的PS系列通信开关电源销售额达4.5亿元,能满足各类容量要求.它的动力设备及环境集中监控系统在全国20个省大量投入使用.1998年其电源销售额达到10亿元.公司采取与国内18家邮电管理局合股的方式进行捆绑销售,在市场上取得了极大的成功,其产品的销售无一不得益于它的这些电信部门的股东.在资本运作方面,华为得到了国有银行70亿元的买方信贷,不缺乏资金.
(3)中兴通信股份有限公司
它是国内著名通信公司之一,1997年各种通信产品销售额达13.5亿元.中兴通讯电源能满足各种容量电源要求,已开发出动力设备及环境集中监控系统.
(4)亚澳通讯电源有限责任公司
它是澳大利亚整流技术公司与电子部十三所及中国节能投资公司三家的合资企业,注册资本8800万元.能提供各种容量的开关电源系统和动力设备及环境集中监控系统.在石家庄和北京分别设立了研究开发中心和生产基地.
(5)中达一斯米克电器电子有限公司
它是一个中外合资企业,能提供各种容量电源系统和动力设备及环境集中监控系统.
它很重视移动通信基站电源市场.
目前,国内开发的产品市场占有率逐步提高.主要是我国在开关电源技术的研究与开发方面追了上来,企业和研究所进行了合作,产品适应中国市场.但是爱立信、POWEC和ARGUS公司等的高功率密度、小功率、高可靠性、谐振式开关电源模块组成蹬微型电源系统还有优势.
三、通信电源的发展方向及前景
电信设备耗电量下降,对小型和微型开关电源有更多需求,这些开关电源与电信设备放在19英寸机架内,为本机架设备供电.
开关电源继续向小、轻、高功率密度、高可靠性、高智能发展,这主要靠新器件和新的变换理论和技术的发展.
接入网要由交换局端供电或用户本地供电,这是通信电源的一个重要课题.在备用电源上有两个重要发展,都是引进航空航天领域的技术.
(1)采用燃料电地做为备用电源.目前采用柴油、汽油、甲醇等碳氢化合物等液体燃料的燃料电池(经过化学反应产生氢气)适用性较广.在电信应用中,用燃料电池代替柴油发电机.比起油机,燃料电池无噪声、污染少、效率高、重量轻、体积小.因为要不断添加燃料,免维护性差,不能取代免维护铅酸蓄电池.
(2)采用燃气轮发电机,燃气轮机直接用高温燃气产生高压驱动叶轮,具有小型、轻量、可靠、效率高、功率大的优点.但燃料成本高,可在灾害通信中使用(比如通信抢险车)或在超过油机功率的场合使用.
我国通信业发展迅速,又有比较好的电源技术人才和研发机构,只要企业能充分利用这些条件,就能得到好的发展.
1999年是实现邮电“九五”计划跨世纪发展目标最关键的一年,随着中国电信网建设规模的飞速发展,科学技术的日新月异,电信设备技术的不断改进,中国电信网络经营者对电信设备的需求出现了新的趋势.就通信电源系统来说,大致有如下几种趋势:
1、根据原邮电部制定的“通信局(站)供电系统总技术要求(暂行规定)”、“电信电源维护规程”、“通信用高频开关整流器通信行业标准”、“通信电源和空调集中监控系统总技术要求(暂行规定)”等有关规定,直流基础电源电压已统一到48V和24V(仅有少量进口移动通信基础电压为24V,其它基本都统一到48V)且对电源设备集中监控技术的智能化维护管理提出新的要求.中国邮电电信总局计划在3年~4年内完成全国电信动力环境集中监控建设工作,对电源监控技术软件要求甚高,不仅能对电源系统本身实行集中监控,而且要监控到油机、空调、电池、地水、烟雾、门禁、航标等综合环境.现在几大电源厂商如华为、SWICHTEC(施威特克)、洲际、中达等都纷纷推出新的电源系统和集中监控方案,以适应中国市场的要求.
2、随着中国电信网络的不断扩大和完善,大系统的电源设备需求较少,而C3、C4电信网和移动网及接入网对中小系统电源的需求还是非常可观的.据了解,今后2年~5年内,中国电信对电源的需求量与今年大致持平.
现在中国各省区市都在大力发展电情接入网工程,对小功率电源的未来需求量甚大,但对系统要求结构紧凑、高效、灵活.目前,中国的电源厂商生产的电源产品与要求尚有一定差距,有的是系统技术不符合要求,有的是系统结构过于庞大.而国外知名的电源厂商如SWICHTEC(施威特克)、澳大利亚COM10等又率先推出了可靠、灵活、高效的最新技术产品.
中国移动网发展极其迅速,1998年8月移动电话用户就已逾2000万,跃居世界第三位.据有关部门预测,到2000年中国蜂窝移动电话用户将达3800万,普及率约3%;到2005年移动电话用户将达到1亿户左右,普及率达到8%左右.随着第三代移动通信技术的逐渐推广,移动网两种制式(GSM和CDMA)可能要有一个统一的标准.尽管这个工程艰巨,但移动用户需求量的不断增长对电源的需求是无法阻止的,中小型电源系统的需求量还是每年增长,而目占据全国电信电源需求量的大部分份额.
3、随着中国民族通信电源工业近十年的发展,从起步、稳定到成长,已取得可喜的成果,华为、洲际、中兴、珠江、动力源等电源厂商已在中国电信电源系统需求中占据重要地位.由于中国国情和世界大环境的影响,电信电源市场将走向“优异的质量、良好的售后服务、最优惠的价格”,这将给中外电源厂商带来极大的影响.对中国电源厂商来说,他们的关键问题是质量;而对国外电源厂商来说,他们的关键问题是价格.中国电信网络经营者到底是将质量摆在首位,还是将价格摆在首位,将决定电源厂商的命运.
3家用电子产品
家用电子产品主要是三类:电视机、音响产品、录像机.
近几年,家用电子产品市场需求稳步增长,预测今后几年的增长速度为10%-15%,其中,电视机需求缓慢增长,音响产品增长速度略高,而录像机需求逐步减少.
2开关电源的技术性能
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、轻运化.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、变压器电容器小型化,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.为了使开关电源较、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PWM开关(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、本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WICOR开关电源公司设计制造了多种ECZ较开关DC/DC变换器,其最大输出功率有800W、600W、300W等,相应的功率密度为6.2、10、17w/cm3,效率为80~90%;日本NemicLambda公司刚推出一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列(日本人称这种技术为“部分谐振”),开关频率为200—300kHz,功率密度为27W/cm3,用同步整流器(即用MOS-FER代替肖特基二级管)使整个电路效率提高到90%.
高可靠.开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍,因此降低了可靠性.从寿命角度出发,电解电容、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给温、减少器件的电应力、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或是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,自身具备对体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开关时,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FCC、德国的VDE等,研究开发抗EMI的开关电源日益显行生要.
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,中内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)、输出电压范围扩大(如计算机和工作站需要增加3.3V这一档电压、程控需要增加DC150V这一电压)、输人端功率因数进一步提高(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.
