開(kāi)關(guān)電源進(jìn)進(jìn)高效率變換時(shí)代
電子設(shè)備特別是計(jì)算機(jī)的不斷小型化，要求供電電源的體積隨之小型化，因而開(kāi)關(guān)電源開(kāi)始替換以粗笨的工頻變壓器為特征的線性穩(wěn)壓電源，同時(shí)電源效率得到明顯進(jìn)步。電源體積的減小意味著散熱能力的變差，因而要求電源的功耗變小，即在輸出功率不變的條件下，效率必須進(jìn)步。
高效率功率變換：開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)
相同體積的電源的功率耗散基本相同，因此，欲得到更大的輸出功率，必須進(jìn)步效率，同時(shí)，高的電源效率可以有效地減小功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)力，有利于進(jìn)步其可靠性。
開(kāi)關(guān)電源的損耗主要為：無(wú)源元件損耗和有源元件損耗
開(kāi)關(guān)損耗一直困惑著開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)者，由于功率半導(dǎo)體器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，器件上同時(shí)存在電流、電壓，因而不可避免地存在開(kāi)關(guān)損耗，假如開(kāi)關(guān)電源中開(kāi)關(guān)管和輸出整流二極管能實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)或零電流開(kāi)關(guān)，則其效率可以明顯進(jìn)步。
開(kāi)關(guān)過(guò)程引起的開(kāi)關(guān)損耗大致會(huì)占總輸進(jìn)功率的5%～10%，大幅度降低或消除這一損耗可使開(kāi)關(guān)電源的效率進(jìn)步5%～10%。最有效的方法是軟開(kāi)關(guān)技術(shù)或零電壓開(kāi)關(guān)或零電流開(kāi)關(guān)技術(shù)。
在眾多軟開(kāi)關(guān)的方案中，比較實(shí)用的有大功率的全橋變換器，通常采用移相零電壓開(kāi)關(guān)的控制
方式，這種控制方式要求在低級(jí)側(cè)需附加一續(xù)流電感以確保開(kāi)關(guān)管在零電壓狀態(tài)下導(dǎo)通，由于較大的有效值電流流過(guò)，這個(gè)附加電感將發(fā)熱(盡管比RC緩沖電路小得多)，因而在低壓功率變換中并不采用。
無(wú)源無(wú)損耗緩沖電路的特點(diǎn)是不破壞常規(guī)PWM控制方式，設(shè)計(jì)/調(diào)試簡(jiǎn)單。盡管如此，無(wú)源無(wú)損耗緩沖電路和準(zhǔn)諧振/零電壓開(kāi)關(guān)工作方式也存在一些缺點(diǎn)，如僅能實(shí)現(xiàn)關(guān)斷軟開(kāi)關(guān)以及在反激式變換器中不太適于大負(fù)載范圍變化。軟開(kāi)關(guān)中有源箝位是進(jìn)步單管正/反激變換器效率的有效方法，最初的專利限制現(xiàn)在已失效，可以普遍應(yīng)用。
功率半導(dǎo)體器件的進(jìn)步：高效率功率變換的根本
功率半導(dǎo)體器件的進(jìn)步特別是Power MOSFET的進(jìn)步引發(fā)出功率變換的一系列的進(jìn)步：Power MOSFET的極快的開(kāi)關(guān)速度，使開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率從雙極晶體管的20kHz進(jìn)步到100kHz以上，有效地減小了無(wú)源儲(chǔ)能元件(電感、電容)的體積。低壓Power MOSFET使低壓同步整流成為現(xiàn)實(shí)，器件的導(dǎo)通電壓從肖特基二極管的0.5V左右，降低到同步整流器的0.1V甚至更低，使低壓整流器的效率至少進(jìn)步了 10%。高壓Power MOSFET的導(dǎo)通壓降和開(kāi)關(guān)特性的改善，進(jìn)步了開(kāi)關(guān)電源的低級(jí)效率。功率半導(dǎo)體器件的功耗的降低也使散熱器和整機(jī)的體積減小。
電源界有一個(gè)不成文的觀點(diǎn)：不穩(wěn)壓的比穩(wěn)壓的效率高、不隔離的比隔離的效率高、窄范圍輸進(jìn)電壓的比寬范圍輸進(jìn)的效率高。Vicor的48V輸進(jìn)電源模塊的效率達(dá)到97%。交流輸進(jìn)開(kāi)關(guān)電源需要功率因數(shù)校正，由于功率因數(shù)校正已具有穩(wěn)壓功能，在對(duì)輸出紋波要求不高的應(yīng)用(如輸出接有蓄電池或超級(jí)電容器)，可以采用功率因數(shù)校正加不調(diào)節(jié)的隔離變換器電路拓?fù)洌瑖?guó)外在1986年已有產(chǎn)品，效率到達(dá)93%以上。
在DC48V輸進(jìn)電壓的電源模塊中，效率在93%以上的模塊幾乎無(wú)一例外地采用前級(jí)穩(wěn)壓、后級(jí)不調(diào)節(jié)隔離的方案，并且將第一級(jí)的輸出電容和第二級(jí)的輸出電感取消，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。
國(guó)內(nèi)的很多開(kāi)關(guān)電源在設(shè)計(jì)上對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)注相對(duì)不夠，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)電源內(nèi)的各部分溫升不均，有的地方過(guò)熱，有的地方幾乎沒(méi)有溫升，甚至PCB上產(chǎn)生較大的損耗。一個(gè)好的開(kāi)關(guān)電源應(yīng)該是產(chǎn)生熱的元件均勻分布在PCB上，而且發(fā)熱元件的溫升基本一致，PCB應(yīng)有盡可能小的損耗，這在模塊電源和塑料外殼的 Adapter的設(shè)計(jì)中尤為重要。
效率進(jìn)步的同時(shí)：電源的電磁干擾得到減小
在開(kāi)關(guān)電源的各種損耗中，電磁干擾所產(chǎn)生的損耗，在電源效率高到一定水平后將不容忽視。一方面電磁干擾本身消耗能量，特別是電源效率的進(jìn)步往往需要軟開(kāi)關(guān)技術(shù)或零電壓開(kāi)關(guān)或零電流開(kāi)關(guān)技術(shù)(無(wú)論是專門(mén)設(shè)置還是電路本身固有)，應(yīng)用這些技術(shù)減緩了開(kāi)關(guān)過(guò)程的電壓、電流的變化速率或消除了開(kāi)關(guān)過(guò)程，電磁干擾變得很小，不需要像常規(guī)開(kāi)關(guān)電源電路中需要專門(mén)設(shè)置抑制電磁干擾的電路(這個(gè)電路是存在損耗的)。
開(kāi)關(guān)電源進(jìn)進(jìn)：高效率功率變換時(shí)代
仔細(xì)分析，高效率功率變換看起來(lái)是很簡(jiǎn)單的，甚至有些電路拓?fù)湓?0多年前就有介紹(如兩級(jí)變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，早在UNITRODE82/83年數(shù)據(jù)手冊(cè)的 Application Note的AN19中就有介紹、TEK2235示波器中也采用了這種功率變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))，但受當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，特別是人們熟悉的限制(總是以為兩級(jí)變換的效率比單級(jí)低，而事實(shí)上兩級(jí)變換可以實(shí)現(xiàn)事實(shí)上的固有的零電壓開(kāi)關(guān)，單級(jí)變換則需要特殊的附加電路和控制方式)而并沒(méi)有得到承認(rèn)和應(yīng)用。器件的性能和人們熟悉的進(jìn)步已經(jīng)使兩級(jí)變換作為高效率功率變換的主要方式之一。
結(jié)語(yǔ)
如今對(duì)于開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)工程師和制造廠商而言，先進(jìn)的功率半導(dǎo)體器件可以方便得到，先進(jìn)的電路拓?fù)浜涂刂品绞揭呀?jīng)開(kāi)始應(yīng)用，他們所剩下的就是想辦法進(jìn)步自己的技術(shù)水平，同時(shí)創(chuàng)造更好的應(yīng)用機(jī)會(huì)和市場(chǎng)份額。
高效率功率變換：開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)
相同體積的電源的功率耗散基本相同，因此，欲得到更大的輸出功率，必須進(jìn)步效率，同時(shí)，高的電源效率可以有效地減小功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)力，有利于進(jìn)步其可靠性。
開(kāi)關(guān)電源的損耗主要為：無(wú)源元件損耗和有源元件損耗
開(kāi)關(guān)損耗一直困惑著開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)者，由于功率半導(dǎo)體器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，器件上同時(shí)存在電流、電壓，因而不可避免地存在開(kāi)關(guān)損耗，假如開(kāi)關(guān)電源中開(kāi)關(guān)管和輸出整流二極管能實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)或零電流開(kāi)關(guān)，則其效率可以明顯進(jìn)步。
開(kāi)關(guān)過(guò)程引起的開(kāi)關(guān)損耗大致會(huì)占總輸進(jìn)功率的5%～10%，大幅度降低或消除這一損耗可使開(kāi)關(guān)電源的效率進(jìn)步5%～10%。最有效的方法是軟開(kāi)關(guān)技術(shù)或零電壓開(kāi)關(guān)或零電流開(kāi)關(guān)技術(shù)。
在眾多軟開(kāi)關(guān)的方案中，比較實(shí)用的有大功率的全橋變換器，通常采用移相零電壓開(kāi)關(guān)的控制
方式，這種控制方式要求在低級(jí)側(cè)需附加一續(xù)流電感以確保開(kāi)關(guān)管在零電壓狀態(tài)下導(dǎo)通，由于較大的有效值電流流過(guò)，這個(gè)附加電感將發(fā)熱(盡管比RC緩沖電路小得多)，因而在低壓功率變換中并不采用。
無(wú)源無(wú)損耗緩沖電路的特點(diǎn)是不破壞常規(guī)PWM控制方式，設(shè)計(jì)/調(diào)試簡(jiǎn)單。盡管如此，無(wú)源無(wú)損耗緩沖電路和準(zhǔn)諧振/零電壓開(kāi)關(guān)工作方式也存在一些缺點(diǎn)，如僅能實(shí)現(xiàn)關(guān)斷軟開(kāi)關(guān)以及在反激式變換器中不太適于大負(fù)載范圍變化。軟開(kāi)關(guān)中有源箝位是進(jìn)步單管正/反激變換器效率的有效方法，最初的專利限制現(xiàn)在已失效，可以普遍應(yīng)用。
功率半導(dǎo)體器件的進(jìn)步：高效率功率變換的根本
功率半導(dǎo)體器件的進(jìn)步特別是Power MOSFET的進(jìn)步引發(fā)出功率變換的一系列的進(jìn)步：Power MOSFET的極快的開(kāi)關(guān)速度，使開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率從雙極晶體管的20kHz進(jìn)步到100kHz以上，有效地減小了無(wú)源儲(chǔ)能元件(電感、電容)的體積。低壓Power MOSFET使低壓同步整流成為現(xiàn)實(shí)，器件的導(dǎo)通電壓從肖特基二極管的0.5V左右，降低到同步整流器的0.1V甚至更低，使低壓整流器的效率至少進(jìn)步了 10%。高壓Power MOSFET的導(dǎo)通壓降和開(kāi)關(guān)特性的改善，進(jìn)步了開(kāi)關(guān)電源的低級(jí)效率。功率半導(dǎo)體器件的功耗的降低也使散熱器和整機(jī)的體積減小。
電源界有一個(gè)不成文的觀點(diǎn)：不穩(wěn)壓的比穩(wěn)壓的效率高、不隔離的比隔離的效率高、窄范圍輸進(jìn)電壓的比寬范圍輸進(jìn)的效率高。Vicor的48V輸進(jìn)電源模塊的效率達(dá)到97%。交流輸進(jìn)開(kāi)關(guān)電源需要功率因數(shù)校正，由于功率因數(shù)校正已具有穩(wěn)壓功能，在對(duì)輸出紋波要求不高的應(yīng)用(如輸出接有蓄電池或超級(jí)電容器)，可以采用功率因數(shù)校正加不調(diào)節(jié)的隔離變換器電路拓?fù)洌瑖?guó)外在1986年已有產(chǎn)品，效率到達(dá)93%以上。
在DC48V輸進(jìn)電壓的電源模塊中，效率在93%以上的模塊幾乎無(wú)一例外地采用前級(jí)穩(wěn)壓、后級(jí)不調(diào)節(jié)隔離的方案，并且將第一級(jí)的輸出電容和第二級(jí)的輸出電感取消，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。
國(guó)內(nèi)的很多開(kāi)關(guān)電源在設(shè)計(jì)上對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)注相對(duì)不夠，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)電源內(nèi)的各部分溫升不均，有的地方過(guò)熱，有的地方幾乎沒(méi)有溫升，甚至PCB上產(chǎn)生較大的損耗。一個(gè)好的開(kāi)關(guān)電源應(yīng)該是產(chǎn)生熱的元件均勻分布在PCB上，而且發(fā)熱元件的溫升基本一致，PCB應(yīng)有盡可能小的損耗，這在模塊電源和塑料外殼的 Adapter的設(shè)計(jì)中尤為重要。
效率進(jìn)步的同時(shí)：電源的電磁干擾得到減小
在開(kāi)關(guān)電源的各種損耗中，電磁干擾所產(chǎn)生的損耗，在電源效率高到一定水平后將不容忽視。一方面電磁干擾本身消耗能量，特別是電源效率的進(jìn)步往往需要軟開(kāi)關(guān)技術(shù)或零電壓開(kāi)關(guān)或零電流開(kāi)關(guān)技術(shù)(無(wú)論是專門(mén)設(shè)置還是電路本身固有)，應(yīng)用這些技術(shù)減緩了開(kāi)關(guān)過(guò)程的電壓、電流的變化速率或消除了開(kāi)關(guān)過(guò)程，電磁干擾變得很小，不需要像常規(guī)開(kāi)關(guān)電源電路中需要專門(mén)設(shè)置抑制電磁干擾的電路(這個(gè)電路是存在損耗的)。
開(kāi)關(guān)電源進(jìn)進(jìn)：高效率功率變換時(shí)代
仔細(xì)分析，高效率功率變換看起來(lái)是很簡(jiǎn)單的，甚至有些電路拓?fù)湓?0多年前就有介紹(如兩級(jí)變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，早在UNITRODE82/83年數(shù)據(jù)手冊(cè)的 Application Note的AN19中就有介紹、TEK2235示波器中也采用了這種功率變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))，但受當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，特別是人們熟悉的限制(總是以為兩級(jí)變換的效率比單級(jí)低，而事實(shí)上兩級(jí)變換可以實(shí)現(xiàn)事實(shí)上的固有的零電壓開(kāi)關(guān)，單級(jí)變換則需要特殊的附加電路和控制方式)而并沒(méi)有得到承認(rèn)和應(yīng)用。器件的性能和人們熟悉的進(jìn)步已經(jīng)使兩級(jí)變換作為高效率功率變換的主要方式之一。
結(jié)語(yǔ)
如今對(duì)于開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)工程師和制造廠商而言，先進(jìn)的功率半導(dǎo)體器件可以方便得到，先進(jìn)的電路拓?fù)浜涂刂品绞揭呀?jīng)開(kāi)始應(yīng)用，他們所剩下的就是想辦法進(jìn)步自己的技術(shù)水平，同時(shí)創(chuàng)造更好的應(yīng)用機(jī)會(huì)和市場(chǎng)份額。
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