高效率開關電源設計2課件

一、開關電源損耗分析與減小的方法（一）導通損耗分析1.1常規(guī)技術下變換器的損耗主要是開關管和輸出整流器的損耗1.開關管的導通損耗；2.開關管的開關損耗。矩形波電流時占空比的關系降低開關管的導通電壓可以有效地降低導通損耗1.對于MOSFET而言，降低導通電阻可以有效降低導通損耗。例如將IRF840換成IRF740可以將導通電阻從0.8Ω降低到0.55Ω，導通損耗可以降低40%以上；如果采用CoolMOS的SPP07N06C3（RDS（ON）=0.6Ω）替代IRFBC40（RDS（ON）=1.2Ω）導通損耗可以降低一半。盡可能增加占空比可以降低導通損耗在開關管額定電流相同的條件下。占空比為0.5的導通損耗是占空比0.4的導通損耗的80%、是占空比0.4的導通損耗的60%。這種損耗的減少是在不增加成本和電路復雜性條件下通過改變工作狀態(tài)輕而易舉得到的。1.2降低導通損耗的方法選擇合適的工作模式，盡可能的提高開關管的導通占空比；選擇導通電阻相對低的MOSFET；降額使用，例如將可以輸出250W的TOP250用于輸出50W的方案中，可以使電源效率達到87%；選擇產品出廠時間比較晚的器件性能會比出廠時間比較早的器件導通電阻??；選擇導通電壓降低的器件作為開關管，例如用IRF740替代IRF840就是一個很好的方法，采用CoolMOS替代常規(guī)MOS是幾好的方法。1.3.輸出整流器的損耗輸出整流器的損耗主要是導通損耗。在低電壓輸出時（如5V或3.3V），即使采用肖特基二極管（導通電壓降約0.5V）作為輸出整流器，其導通損耗也會使這一部分的效率不足10%?。?0%）這樣整機的效率很可能就不會超過80%。需要注意肖特基二極管的漏電流盡管肖特基二極管的導通電壓降比較低，但是肖特基二極管的漏電流比較大，應用不當時會出現高溫狀態(tài)下的漏電流產生的損耗會比由于低導通電壓所減少的損耗還大。這就是有時應用肖特基二極管時效率并不是很高的原因之一。選擇肖特基二極管要選用漏電流低的型號。（二）開關管的開關損耗分析在常規(guī)技術下，開關損耗隨開關頻率的升高而上升，因此輕載時（如30%負載）開關電源的效率會明顯降低。2.1開關管開關損耗產生的原因開關管的開關過程對開關損耗的影響開關管的開關過程中，電流、電壓同時存在，這個過程越長開關損耗越大。1、在開關管的開關過程中讓電流、電壓相對的相位發(fā)生變化可以降低開關損耗；2、在開關管的開關過程中電流、電壓值存在一個，而另一個為零，可以消除開關損耗；3、縮短開關過程可以減小開關損耗開關過程對開關損耗的影響（1）

驅動能力對開關損耗產生的影（1）開關管的驅動驅動MOSFET實際上是對MOSFET的柵極電容的充放電過程。例如在100ns時間內驅動一個100nC柵極電荷的MOSFET由關斷到導通或由導通到關斷需要1A驅動電流，如果是200mA則驅動時間就會變?yōu)?00ns。對應的開關損耗將會增加到1A驅動電流的5倍。因此，驅動電流對于快速開關MOSFET非常重要。開關過程對開關損耗的影響（2）

柵極電荷對開關損耗產生的影響（1）其中對MOSFET開關過程影響最大的是米勒電荷，即柵-漏極電荷。例如柵極電荷為140nC的IRFP450（14A/500V）的柵-漏極電荷為80nC。而fairchild的FQAF16N50（16A/500V，全塑封裝為11.5A）的柵-漏極電荷為28nC；ST的STE14NK50Z的柵-漏極電荷為31nC二極管反向恢復過程產生對開關管開關損耗產生的影響（3）二極管的反向恢復電流對開關過程的影響IRM值有多大？一般的FERD在100A/μs和150℃結溫條件下要比其正向額定電流還大。為了降低600V耐壓的FERD反向峰值電流，甚至還采用了兩只300V耐壓的FERD，特別是在功率因數校正應用中。而近幾年新出的FERD則僅為其額定電流的三分之二或更低。DPG30C200HB

VRRM,(V)

200

IFAVM,d=0.5,Total,(A)

30

IFAVM,d=0.5,PerDiode,(A)

15

@TC,(°C)

140

IFRMS,(A)

-

IFSM,10ms,TVJ=45°C,(A)

150

VF,max,TVJ=150°C,(V)

1.00

@IF,(A)

15

trr,typ,TVJ=25°C,(ns)

35

IRM,typ,TVJ=100°C,(A)

3

@-di/dt,(A/μs)

200

TVJM,(°C)

175

RthJC,max,(°C/W)

1.70

特別是IXYS的HiPerDYN?FRED可以降低到不足額定電流的10%。DPH30IS600HI

VRRM：(V)

600

IFAVM,(d=0.5,Total)

：30A

IFAVM,(d=0.5,PerDiode)

：30A

@TC：140℃

VFmax,IF=IFAVM：1.89VTVJM,(℃)

150

trrtyp,TVJ=25℃,：30ns

IRM

,typ,TVJ=100℃：2.0A

@-di/dt：200

A/μs

TVJM,：125℃

RthJC,max,：0.55℃/W

通過采用性能優(yōu)異的FERD或碳化硅二極管可以有效地降低由于二極管的反向恢復造成的損耗，提高開關頻率，減小變換器的體積。（三）其它元件損耗分析線路寄生電感產生的開關損耗線路的寄生電感在每一次開關過程都要將其儲能完全釋放到開關管，變?yōu)闊崮?，這是造成開關損耗的主要原因之一。寄生電感存在于：直流母線、變壓器漏感。1.輸入整流器的損耗分析輸入整流器是市電輸入的開關電源中必須有的環(huán)節(jié)，盡管這一環(huán)節(jié)的效率非常高，但是在帶有功率因數校正的開關電源中，如果能省去兩只輸入整流二極管，效率會提高1%，整機效率比較容易在85V輸入電壓時滿足效率不低于90%的要求。其二，從工作狀態(tài)看，整流電路的導通角越接近180o效率越高。2.輸出整流器損耗分析在一般情況下，輸出整流器的損耗主要是導通損耗；如果輸出整流器選用肖特基二極管，則在高結溫狀態(tài)下肖特基二極管的漏電流所產生的損耗將不可忽視。二極管的導通損耗對比較高的輸出電壓電路的效率影響比較小在比較高的輸出電壓條件下，輸出整流二極管的導通電壓產生的損耗對整機效率的影響比較小，一般的整流電路和超快速二極管就可以獲得很高的效率。低電壓輸出時整流二極管的損耗不可忽視（1）低電壓輸出時整流二極管的電壓降將不可忽略。例如輸出電壓為24V或低于24V時，如果采用橋式整流電路結構和超快速二極管所產生的電壓降將超過2.4V，這時由于整流器的導通損耗就使得輸出整流電路本身的效率不會超過90%。采用全波整流電路可以使整流電路的損耗降低到原來的一半。因此，全波整流電路是低壓整流電路的首選電路結構。低電壓輸出時整流二極管的損耗不可忽視（2）輸出電壓為12V或低于12V時，即使采用全波整流電路，而采用超快速二極管也不會使得輸出整流電路本身的效率超過90%；輸出電壓為5V時，采用全波整流電路和超快速二極管將使得輸出整流電路本身的效率不會超過80%；即使采用肖特基二極管，整流電路本身的效率不會超過90%；輸出電壓為3.3V或更低時，即使采用肖特基二極管，效率也不會急人滿意，除非迫不得已而為之。肖特基二極管在高溫狀態(tài)下的漏電流損耗不可忽視肖特基二極管在高結溫狀態(tài)下漏電流會很大，如最常見的MBR3045的高結溫和額定反向電壓下的漏電流將達到100mA，在40V的反向電壓下的漏電流損耗將達到4W。對于15A/0.5V的導通電壓和電流與15A/1.2V的10.5W實際僅減小6.5W甚至更低。僅為想象中的效率提高程度的70%。而在降額一般使用時，肖特基二極管減小的導通損耗與增加的漏電流損耗將相近！這時應用肖特基二極管將沒有意義。如果將漏電流減小到1/3甚至更低，則漏電流的損耗就可能在眾多損耗中忽略。同步整流器可以提高輸出整流器的效率在低壓整流輸出時，僅僅采用肖特基二極管的電源效率不會很高，對于5V輸出一般為79%或低于70%，3.3V輸出的電源效率會更低！由于肖特基二極管是所有二極管中導通電壓最低，如果肖特基二極管的導通電壓不能滿意將找不到合適的二極管。選用MOSFET可以使得整流器的導通電壓降低于0.5V，甚至可以低于0.1V！3.變壓器與電感損耗分析開關管、二極管的損耗有效降低后，磁性元件的損耗將是進一步提高開關電源效率的突破點變壓器漏感儲能的處理與效率變壓器的漏感儲能在每一次開關過程中完全釋放；這個儲能不能耦合到輸出，只能在變壓器的初級側進行交換；在常規(guī)技術中，單管正激、反激式開關電源對于變壓器的漏感是通過變壓器初級側的箝位電路吸收實現開關過程中的漏感電壓箝位。變壓器漏感儲能的處理與效率（1）如果箝位電路僅僅是RCD電路，則漏感的儲能將被完全轉化為熱能消耗掉，使得電源的效率降低。為了使這一部分能量不轉化為熱量，需要將箝位電路改為有源箝位或準諧振電路結構和相應的工作模式?；蛘邔喂茈娐方Y構變?yōu)殡p管箝位電路結構，這樣就可以使變壓器漏感中的儲能在開關管關斷過程回饋的直流母線。變壓器激磁電感儲能的處理與效率（2）變壓器的磁路中的磁場由激磁電感建立，在開關過程中，單管正激電路結構將其儲能釋放到箝位電路中，折算為功率就是f﹡LIM2/2。如果箝位電路采用RCD，則這部分的能量將完全被轉化為熱能，使得開關電源的效率降低?？梢圆捎美@組前衛(wèi)或有源箝位電路將這部分能量回饋到直流母線或前衛(wèi)電容器中作為磁通復位時反向激磁的能量。變壓器激磁電感儲能的處理與效率（3）如果電路采用橋式電路結構或推挽式電路結構，則變壓器的激磁電感的儲能在每一側開關管關斷后作為另一側開關管開通時的反向激磁電流分量。這種通過正反向激磁的方式充分利用激磁電感中的儲能。變壓器激磁電感與漏感儲能的處理與效率如果單管正激、反激式開關電源采用雙管箝位電路結構則可以用直流母線實現電壓的箝位，這時的變壓器激磁電感與漏感儲能將回饋到直流母線中。因此，常規(guī)技術的雙管箝位電路的效率比單管電路的效率高一些。其差值主要是變壓器激磁電感與漏感儲能的處理方式變壓器漏電感儲能的處理與效率在橋式電路結構和推挽式電路結構中，變壓器漏感的儲能可以部分回饋到直流母線。4.電容器損耗分析電容器的損耗主要是輸入整流濾波電容器的損耗和輸出整流濾波電容器的損耗。輸入整流濾波電容器的損耗分析例如一個100μF/400V的鋁電解電容器的等效串聯(lián)電阻約2Ω，在220V市電供電條件下100μF/400V的鋁電解電容器作為100W開關電源的整流濾波電容器將流過近1A的整流紋波電流，還有變換器部分的高頻開關頻率的紋波電流。這時的這個電容器損耗近2W，在高效率開關電源的設計中，如果能夠降低這一部分的損耗也會對整個電路效率的提高起到有益的作用。輸出整流濾波電容器的損耗分析由于輸出整流濾波電容器需要吸收輸出整流后剩余的紋波電流，因此也會造成輸出整流濾波電容器的損耗。在各種電路結構中，電流斷續(xù)型反激式開關電源的輸出整流濾波所產生的紋波電流最大，電容的損耗也最大。需要選擇ESR低的電容器。5.緩沖電路的損耗為了降低開關電源的電磁干擾，降低開關管的di/dt、dv/dt，常需要利用緩沖電路實現這一功能。如果緩沖電路是RC或RCD形式，就會產生損耗。如果選用LC或LCD電路形式則可以大幅度降低緩沖電路的損耗。這其中還是存在L、D的損耗以及電容器電壓復位時的開關管的損耗。采用軟開關或零電壓開關可以省去緩沖電路，也沒有了緩沖電路的損耗。（四）減小開關損耗分析4.1用常規(guī)技術減小開關管開關損耗1.修正開關管的電壓電流波形相位，使其盡可能的錯開2.緩沖電容器復位，為下一次起作用做好準備；開關過程的負載線緩沖電路DCR存在的問題1.將開關管的損耗轉移到緩沖電路中。實際上并沒有提高效率。解決的思路1.需要將緩沖電容器復位釋放的能量回收；2.采用LC諧振使緩沖電容器電壓復位4.2采用諧振復位技術降低開關管的開關損耗LC諧振復位的單管變換器緩沖電路緩沖電路作用期間緩沖電路的復位過程相關波形雙管箝位的無源無損耗緩沖電路開關管導通狀態(tài)緩沖電路起作用期間的等效電路箝位二極管導通開關管重新導通與緩沖電路復位無源無損耗緩沖電路對效率的貢獻與RCD緩沖電路相比，無源無損耗緩沖電路可以提高效率3~5%。無源無損耗緩沖電路的優(yōu)缺點優(yōu)點：可以不改變原有的控制方式，只需將無源無損耗緩沖電路直接替代RCD緩沖電路即可。缺點：緩沖電路中二極管的反向恢復可能引起某種程度的電磁干擾；二級管和復位電感仍會產生一些損耗；緩沖電路復位時將增加開關管的導通損耗。如何克服無源無損耗緩沖電路的缺點？1.問題在于電路中存在二極管、復位電感；2.上述器件在工作過程中均存在損耗問題；3.解決問題的思路是：設法去掉緩沖電路中的二極管和復位電感；4.復位電感問題如何解決？可以利用變壓器的初級激磁電感；5.這就是準諧振反激式開關電源基本設計思路。（四）諧振式工作模式可以降低開關損耗3.1準諧振反激式開關電源

原理準諧振反激式開關電源的主電路緩沖電路作用于復位的等效電路緩沖電路作用期間緩沖電路的復位主要波形與無源無損耗緩沖電路相比的優(yōu)點1.由于采用變壓器初級激磁電感作為緩沖電容器的復位電感，緩沖電路中省去了二級管和復位電感；2.由于緩沖電路中僅剩下緩沖電容器，緩沖電路將“沒有”損耗產生，效率會進一步提高；3.開關管在漏-源極電壓最小值處開通，使開通損耗變得最小化。4.緩沖電容器的復位沒有經過開關管，緩沖電路的復位過程不會增加開關管的導通損耗。效率改善情況準諧振反激式開關電源的效率將比采用無源無損耗緩沖電路的反激式開關電源高5~8%；比RCD高至少10%。準諧振反激式開關電源的不足準諧振反激式開關電源畢竟是通過電感將輸入電能轉換到輸出，使得輸入向輸出傳輸電能不連續(xù)，因而效率盡管有明顯的提高，但是，要進一步提高電源的效率（如90%以上）將是不可能的；開關管的耐壓比較高，至少要600V以上，是開關管的性能下降。臨界電流型，開關管的損耗要比電流連續(xù)型大。進一步改進效率的思路考慮正激變換器的效率比反激式變換器的效率高，可以考慮在正激變換器中采用諧振式工作模式。問題的關鍵是變換器如何工作在諧振工作模式，以確保開關管的零電壓開關。合適的調頻工作模式可以確保開關管的零電壓開關。（四）零電壓開關可以有效的“消除”開關損耗4.1自然零電壓開關最簡單自然零電壓開關電路結構最簡單，因此下率也將是最高的。實現零電壓開通的條件實現零電壓開關的最簡單的條件是利用變壓器激磁或其它電感迫使開關管導通前，與需要開通的開關管反向并聯(lián)的二極管導通接續(xù)電感中的電流。這樣，開關管就可以在反向約0.7V的電壓下開通實現零電壓開通。也可以利用緩沖電容器復位過程中經開關管電壓拉底到零電壓或極小值時開通開關管。如準諧振工作模式。如何創(chuàng)造零電壓開通條件？問題的關鍵在于如何維持變壓器漏感電流或激磁電感電流的電流方向不變一直到開關管開通時刻。在橋式或推挽電路結構中，如果不去處理，變壓器的激磁會由于輸出整流電路的續(xù)流作用將輸出繞組“短路”，這就不能利用激磁電流維持與開關管反并聯(lián)的二極管的持續(xù)導通，而只能利用變壓器漏感。如何創(chuàng)造零電壓開通條件？由于變壓器漏感很小通常在很短的時間內就可能將其儲能徹底釋放，使得開關管開通前，其反