12-3高效率开关电源设计2

1一、开关电源损耗分析与减小的方法2（一）导通损耗分析31.1常规技术下变换器的损耗主要是开关管和输出整流器的损耗1.开关管的导通损耗；2.开关管的开关损耗。4MOS作为开关管时的导通损耗其中的电压和电流均为有效值。5矩形波电流与占空比的关系6降低开关管的导通电压可以有效地降低导通损耗1.对于MOSFET而言，降低导通电阻可以有效降低导通损耗。例如将IRF840换成IRF740可以将导通电阻从0.8Ω降低到0.55Ω，导通损耗可以降低40%以上；若采用CoolMOS的SPP07N06C3(RDS(ON)=0.6Ω)替代IRFBC40（RDS（ON）=1.2Ω）导通损耗可以降低一半。7增加占空比可以降低导通损耗在开关管额定电流相同的条件下，占空比为0.5的导通损耗是占空比0.4的导通损耗的80%。这种损耗的减少是在不增加成本和电路复杂性条件下通过改变工作状态轻而易举得到的。8常规技术下开关管的导通损耗比例MOSFET作为开关管时，导通损耗一般占开关管总损耗的2/3；IGBT作为开关管时，导通损耗一般占开关管总损耗的1/3。91.2降低导通损耗的方法选择合适的工作模式，尽可能的提高开关管的导通占空比（不能无限制增加）；选择导通电阻相对低的MOSFET；降额使用，例如将可以输出250W的TOP250用于输出50W的方案中，可以使电源效率达到87%；选择产品出厂时间比较晚的器件性能会比出厂时间比较早的器件导通电阻小；选择导通电压降更低的器件作为开关管，例如用IRF740替代IRF840，或者采用CoolMOS替代常规MOS的方法。101.3.输出整流器的损耗输出整流器的损耗主要是导通损耗。在低电压输出时（如5V或3.3V），即使采用肖特基二极管（导通电压降约0.5V）作为输出整流器，其导通损耗也会使这一部分的效率不足10%！这样整机的效率大部分不会超过80%。11需要注意肖特基二极管的漏电流尽管肖特基二极管的导通电压降比较低，但是肖特基二极管的漏电流比较大，应用不当时会出现高温状态下的漏电流产生的损耗会比由于低导通电压所减少的损耗还大。这就是有时应用肖特基二极管时效率并不是很高的原因之一。选择肖特基二极管要选用漏电流低的型号。121.4同步整流器可以使输出整流器的导通损耗降低为了降低输出整流器的导通损耗，可以采用MOSFET构成同步整流器，如果一个导通电阻为10mΩ的MOSFET流过20A电流，其导通电压降仅仅0.2V！明显低于肖特基二极管的在这个电流下的导通电压，如果流过10A电流，则导通电压会更低。现在的高效率开关电源的输出整流器主要采用同步整流器。13（二）开关管的开关损耗分析在常规技术下，开关损耗随开关频率的升高而上升，轻载时（如30%负载）开关电源的效率会明显降低。142.1开关管开关损耗产生的原因15开关过程对损耗的影响开关管开关过程是开关感性负载，开通过程需要电流首先上升到“电源电流”，然后才是电压的下降；关断过程则是电压上升到“电源电压”，然后才是电流的下降。这些过程中，有电压电流同时存在的现象。其电流、电压的乘积非常高，因而产生开关损耗。16开关过程对开关损耗的影响开关管的开关过程中，电流、电压同时存在，这个过程越长开关损耗越大。1.在开关管的开关过程中让电流、电压相对的相位发生变化可以降低开关损耗；2.在开关管的开关过程中电流、电压值存在一个，而另一个为零，可以消除开关损耗；3.缩短开关过程可以减小开关损耗17驱动能力对开关损耗产生的影响驱动MOSFET实际上是对MOSFET的栅极电容的充放电过程。例如在100ns时间内驱动一个100nC栅极电荷的MOSFET由关断到导通或由导通到关断需要1A驱动电流，如果是200mA则驱动时间就会变为500ns。对应的开关损耗将会增加到1A驱动电流的5倍。因此，驱动电流对于快速开关MOSFET非常重要。18栅极电荷对开关损耗产生的影响其中对MOSFET开关过程影响最大的是米勒电荷，即栅-漏极电荷。例如栅极电荷为140nC的IRFP450（14A/500V）的栅-漏极电荷为80nC。而fairchild的FQAF16N50（16A/500V，全塑封装为11.5A）的栅-漏极电荷为28nC；ST的STE14NK50Z的栅-漏极电荷为31nC19栅极电荷对开关损耗产生的影响在相同的驱动条件下，IRFP450的开关时间大约为FQAF16N50的2.86倍；是STE14NK50Z的2.58倍。对应的ORFP450的开关损耗也将是FQAF16N50的2.86倍，STE14NK50Z的2.58倍。20二极管反向恢复过程产生对开关管开关损耗产生的影响2122二极管的反向恢复电流对开关过程的影响23结温升高导致反向恢复峰值电流的增加24IRM值有多大？一般的FRED在100A/μs和150℃结温条件下要比其正向额定电流还大。为了降低600V耐压的FRED反向峰值电流，甚至还采用了两只300V耐压的FRED，特别是在功率因数校正应用中。25近几年新出的FRED的IRM则仅为其额定电流的2/3或更低。DPG30C200HBVRRM,(V)200IFAVM,d=0.5,Total,(A)30IFAVM,d=0.5,PerDiode,(A)15@TC,(°C)140IFRMS,(A)-IFSM,10ms,TVJ=45°C,(A)150VF,max,TVJ=150°C,(V)1.00@IF,(A)15trr,typ,TVJ=25°C,(ns)35IRM,typ,TVJ=100°C,(A)3@-di/dt,(A/µs)200TVJM,(°C)175RthJC,max,(°C/W)1.7026特别是IXYS的HiPerDYN™FRED可以降低到不足额定电流的10%。DPH30IS600HIVRRM：(V)600IFAVM,(d=0.5,Total)：30AIFAVM,(d=0.5,PerDiode)：30A@TC：140℃VFmax,IF=IFAVM：1.89VTVJM,(℃)150trrtyp,TVJ=25℃,：30nsIRM,typ,TVJ=100℃：2.0A@-di/dt：200A/µsTVJM,：125℃RthJC,max,：0.55℃/W27碳化硅二极管的反向恢复时间与峰值电流更低通过采用性能优异的FRED或碳化硅二极管可以有效地降低由于二极管的反向恢复造成的损耗，提高开关频率，减小变换器的体积。28（三）其它元件损耗分析29线路寄生电感产生的开关损耗线路的寄生电感在每一次开关过程都要将其储能完全释放到开关管，变为热能，这是造成开关损耗的主要原因之一。寄生电感存在于：直流母线、变压器漏感。301.输入整流器的损耗分析输入整流器是市电输入的开关电源中必须有的环节，尽管这一环节的效率非常高，但是在带有功率因数校正的开关电源中，如果能省去两只输入整流二极管，效率会提高1%，整机效率比较容易在85V输入电压时满足效率不低于90%的要求。其二，从工作状态看，整流电路的导通角越接近180º效率越高。312.输出整流器损耗分析在一般情况下，输出整流器的损耗主要是导通损耗；如果输出整流器选用肖特基二极管，则在高结温状态下肖特基二极管的漏电流所产生的损耗将不可忽视。32二极管的导通损耗对比较高的输出电压电路的效率影响比较小在比较高的输出电压条件下，输出整流二极管的导通电压产生的损耗对整机效率的影响比较小，一般的整流电路和超快速二极管就可以获得很高的效率。33低电压输出时整流二极管的损耗不可忽视（1）低电压输出时整流二极管的电压降将不可忽略。例如输出电压为24V或低于24V时，如果采用桥式整流电路结构和超快速二极管所产生的电压降将超过2.4V，这时由于整流器的导通损耗就使得输出整流电路本身的效率不会超过90%。采用全波整流电路可以使整流电路的损耗降低到原来的一半。因此，全波整流电路是低压整流电路的首选电路结构。34低电压输出时整流二极管的损耗不可忽视（2）输出电压为12V或低于12V时，即使采用全波整流电路，而采用超快速二极管也不会使得输出整流电路本身的效率超过90%；输出电压为5V时，采用全波整流电路和超快速二极管将使得输出整流电路本身的效率不会超过80%；即使采用肖特基二极管，整流电路本身的效率不会超过90%；输出电压为3.3V或更低时，即使采用肖特基二极管，效率也不会另人满意。35肖特基二极管在高温状态下的漏电流损耗不可忽视肖特基二极管在高结温状态下漏电流会很大，如最常见的MBR3045的高结温和额定反向电压下的漏电流将达到100mA，在40V的反向电压下的漏电流损耗将达到4W。对于15A/0.5V的导通电压和电流与15A/1.2V的10.5W实际仅减小6.5W甚至更低。仅为想象中的效率提高程度的70%。而在降额一般使用时，肖特基二极管减小的导通损耗与增加的漏电流损耗将相近！这时应用肖特基二极管将没有意义。如果将漏电流减小到1/3甚至更低，则漏电流的损耗就可能在众多损耗中忽略。36同步整流器可以提高输出整流器的效率在低压整流输出时，仅仅采用肖特基二极管的电源效率不会很高，对于5V输出一般为79%或低于70%，3.3V输出的电源效率会更低！由于肖特基二极管是所有二极管中导通电压最低，如果肖特基二极管的导通电压不能满意将找不到合适的二极管。选用MOSFET可以使得整流器的导通电压降低于0.5V，甚至可以低于0.1V！373.变压器与电感损耗分析开关管、二极管的损耗有效降低后，磁性元件的损耗将是进一步提高开关电源效率的突破点38变压器漏感储能的处理与效率变压器的漏感储能在每一次开关过程中完全释放；这个储能不能耦合到输出，只能在变压器的初级侧进行交换；在常规技术中，单管正激、反激式开关电源对于变压器的漏感是通过变压器初级侧的箝位电路吸收实现开关过程中的漏感电压箝位。39变压器漏感储能的处理与效率（1）如果箝位电路是RCD电路，则漏感的储能将被完全转化为热能消耗掉，使得电源的效率降低。为了使这一部分能量不转化为热量，需要将箝位电路改为有源箝位或准谐振电路结构和相应的工作模式。或者将单管电路结构变为双管箝位电路结构，这样就可以使变压器漏感中的储能在开关管关断过程回馈的直流母线。40变压器激磁电感储能的处理与效率（2）变压器的磁路中的磁场由激磁电感建立，在开关过程中，单管正激电路结构将其储能释放到箝位电路中，折算为功率就是f﹡LIM2/2。如果箝位电路采用RCD，则这部分的能量将完全被转化为热能，使得开关电源的效率降低。可以采用绕组箝位或有源箝位电路将这部分能量回馈到直流母线或箝位电容中作为磁通复位时反向激磁的能量。41变压器激磁电感储能的处理与效率（3）如果电路采用桥式电路结构或推挽式电路结构，则变压器的激磁电感的储能在每一侧开关管关断后作为另一侧开关管开通时的反向激磁电流分量。这种通过正反向激磁的方式充分利用激磁电感中的储能。42变压器激磁电感与漏感储能的处理与效率如果单管正激、反激式开关电源采用双管箝位电路结构则可以用直流母线实现电压的箝位，这时的变压器激磁电感与漏感储能将回馈到直流母线中。因此，常规技术的双管箝位电路的效率比单管电路的效率高一些。其差值主要是变压器激磁电感与漏感储能的处理方式43变压器漏电感储能的处理与效率在桥式电路结构和推挽式电路结构中，变压器漏感的储能可以部分回馈到直流母线。444.电容器损耗分析电容器的损耗主要是输入整流滤波电容器的损耗和输出整流滤波电容器的损耗。45输入整流滤波电容器的损耗分析例如一个100μF/400V的铝电解电容器的等效串联电阻(ESR)约2Ω，在220V市电供电条件下100μF/400V的铝电解电容器作为100W开关电源的整流滤波电容器将流过近1A的整流纹波电流，还有变换器部分的高频开关频率的纹波电流。这时的这个电容器损耗近2W，在高效率开关电源的设计中，如果能够降低这一部分的损耗也会对整个电路效率的提高起到有益的作用。46输出整流滤波电容器的损耗分析由于输出整流滤波电容器需要吸收输出整流后剩余的纹波电流，因此也会造成输出整流滤波电容器的损耗。在各种电路结构