开关电源进入高效率功率变换时代

电子设备特别是计算机的不时小型化,请求供电电源的体积随之小型化,因此开关电源开端替代以笨重的工频变压器为特征的线性稳压电源,同时电源效率得到明显进步。电源体积的减小意味着散热才能的变差,因此请求电源的功耗变小,即在输出功率不变的前提下,效率必需进步。
高效率功率变换:开关电源设计追求的目的
    相同体积的电源的功率耗散根本相同,因而,欲得到更大的输出功率,必需进步效率,同时,高的电源效率能够有效地减小功率半导体器件的应力,有利于进步其牢靠性。
    开关电源的损耗主要为:无源元件损耗和有源元件损耗
    开关损耗不断困惑着开关电源设计者,由于功率半导体器件在开关过程中,器件上同时存在电流、电压,因此不可防止地存在开关损耗,假如开关电源中开关管和输出整流二极管能完成零电压开关或零电流开关,则其效率能够明显进步。
    开关过程惹起的开关损耗大致会占总输入功率的5%~10%,大幅度降低或消弭这一损耗可使开关电源的效率进步5%~10%。最有效的办法是软开关技术或零电压开关或零电流开关技术。
    在众多软开关的计划中,比拟适用的有大功率的全桥变换器,通常采用移相零电压开关的控制方式,这种控制方式请求在初级侧需附加一续流电感以确保开关管在零电压状态下导通,由于较大的有效值电流流过,这个附加电感将发热(虽然比RC缓冲电路小得多),因此在低压功率变换中并不采用。
无源无损耗缓冲电路的特性是不毁坏常规PWM控制方式,设计/调试简单。虽然如此,无源无损耗缓冲电路和准谐振/零电压开关工作方式也存在一些缺陷,如仅能完成关断软开关以及在反激式变换器中不太适于大负载范围变化。软开关中有源箝位是进步单管正/反激变换器效率的有效办法,最初的专利限制如今已失效,能够普遍应用。
    功率半导体器件的进步:高效率功率变换的基本
    功率半导体器件的进步特别是PowerMOSFET的进步引发出功率变换的一系列的进步:PowerMOSFET的极快的开关速度,使开关电源的开关频率从双极晶体管的20kHz进步到100kHz以上,有效地减小了无源储能元件(电感、电容)的体积。低压PowerMOSFET使低压同步整流成为理想,器件的导通电压从肖特基二极管的0.5V左右,降低到同步整流器的0.1V以至更低,使低压整流器的效率至少进步了10%。高压PowerMOSFET的导通压降和开关特性的改善,进步了开关电源的初级效率。功率半导体器件的功耗的降低也使散热器和整机的体积减小。
    电源界有一个不成文的观念:不稳压的比稳压的效率高、不隔离的比隔离的效率高、窄范围输入电压的比宽范围输入的效率高。Vicor的48V输入电源模块的效率到达97%。交流输入开关电源需求功率因数校正,由于功率因数校正已具有稳压功用,在对输出纹波请求不高的应用(如输出接有蓄电池或超级电容器),能够采用功率因数校正加不调理的隔离变换器电路拓扑,国外在1986年已有产品,效率抵达93%以上。
    在DC48V输入电压的电源模块中,效率在93%以上的模块简直无一例外地采用前级稳压、后级不调理隔离的计划,并且将第一级的输出电容和第二级的输出电感取消,简化了电路构造。
国内的很多开关电源在设计上对构造设计的关注相对不够,有时会呈现电源内的各局部温升不均,有的中央过热,有的中央简直没有温升,以至PCB上产生较大的损耗。一个好的开关电源应该是产生热的元件平均散布在PCB上,而且发热元件的温升根本分歧,PCB应有尽可能小的损耗,这在模块电源和塑料外壳的Adapter的设计中尤为重要。
    效率进步的同时:电源的电磁干扰得到减小
    在开关电源的各种损耗中,电磁干扰所产生的损耗,在电源效率高到一定程度后将不容无视。一方面电磁干扰自身耗费能量,特别是电源效率的进步常常需求软开关技术或零电压开关或零电流开关技术(无论是特地设置还是电路自身固有),应用这些技术减缓了开关过程的电压、电流的变化速率或消弭了开关过程,电磁干扰变得很小,不需求像常规开关电源电路中需求特地设置抑止电磁干扰的电路(这个电路是存在损耗的)。
    开关电源进入:高效率功率变换时期
    认真剖析,高效率功率变换看起来是很简单的,以至有些电路拓扑在20多年前就有引见(如两级变换拓扑构造,早在UNITRODE82/83年数据手册的ApplicationNote的AN19中就有引见、TEK2235示波器中也采用了这种功率变换拓扑构造),但受当时的技术程度,特别是人们认识的限制(总是以为两级变换的效率比单级低,而事实上两级变换能够完成事实上的固有的零电压开关,单级变换则需求特殊的附加电路和控制方式)而并没有得到供认和应用。器件的性能和人们认识的进步曾经使两级变换作为高效率功率变换的主要方式之一。
    结语
    往常关于开关电源设计工程师和制造厂商而言,先进的功率半导体器件能够便当得到,先进的电路拓扑和控制方式曾经开端应用,他们所剩下的就是想方法进步本人的技术程度,同时发明更好的应用时机和市场份额。


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