開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入高效率功率變換時(shí)代
電子設備特別是計算機的不時(shí)小型化,請求供電電源的體積隨之小型化,因此開(kāi)關(guān)電源開(kāi)端替代以笨重的工頻變壓器為特征的線(xiàn)性穩壓電源,同時(shí)電源效率得到明顯進(jìn)步。電源體積的減小意味著(zhù)散熱才能的變差,因此請求電源的功耗變小,即在輸出功率不變的前提下,效率必需進(jìn)步。
高效率功率變換:開(kāi)關(guān)電源設計追求的目的
相同體積的電源的功率耗散根本相同,因而,欲得到更大的輸出功率,必需進(jìn)步效率,同時(shí),高的電源效率能夠有效地減小功率半導體器件的應力,有利于進(jìn)步其牢靠性。
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)損耗不斷困惑著(zhù)開(kāi)關(guān)電源設計者,由于功率半導體器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中,器件上同時(shí)存在電流、電壓,因此不可防止地存在開(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完成零電壓開(kāi)關(guān)或零電流開(kāi)關(guān),則其效率能夠明顯進(jìn)步。
開(kāi)關(guān)過(guò)程惹起的開(kāi)關(guān)損耗大致會(huì )占總輸入功率的5%~10%,大幅度降低或消弭這一損耗可使開(kāi)關(guān)電源的效率進(jìn)步5%~10%。最有效的辦法是軟開(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)的計劃中,比擬適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,這種控制方式請求在初級側需附加一續流電感以確保開(kāi)關(guān)管在零電壓狀態(tài)下導通,由于較大的有效值電流流過(guò),這個(gè)附加電感將發(fā)熱(雖然比RC緩沖電路小得多),因此在低壓功率變換中并不采用。
無(wú)源無(wú)損耗緩沖電路的特性是不毀壞常規PWM控制方式,設計/調試簡(jiǎn)單。雖然如此,無(wú)源無(wú)損耗緩沖電路和準諧振/零電壓開(kāi)關(guān)工作方式也存在一些缺陷,如僅能完成關(guān)斷軟開(kāi)關(guān)以及在反激式變換器中不太適于大負載范圍變化。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辦法,最初的專(zhuān)利限制如今已失效,能夠普遍應用。
功率半導體器件的進(jìn)步:高效率功率變換的基本
功率半導體器件的進(jìn)步特別是PowerMOSFET的進(jìn)步引發(fā)出功率變換的一系列的進(jìn)步:PowerMOSFET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)源儲能元件(電感、電容)的體積。低壓PowerMOSFET使低壓同步整流成為理想,器件的導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以至更低,使低壓整流器的效率至少進(jìn)步了10%。高壓PowerMOSFET的導通壓降和開(kāi)關(guān)特性的改善,進(jìn)步了開(kāi)關(guān)電源的初級效率。功率半導體器件的功耗的降低也使散熱器和整機的體積減小。
電源界有一個(gè)不成文的觀(guān)念:不穩壓的比穩壓的效率高、不隔離的比隔離的效率高、窄范圍輸入電壓的比寬范圍輸入的效率高。Vicor的48V輸入電源模塊的效率到達97%。交流輸入開(kāi)關(guān)電源需求功率因數校正,由于功率因數校正已具有穩壓功用,在對輸出紋波請求不高的應用(如輸出接有蓄電池或超級電容器),能夠采用功率因數校正加不調理的隔離變換器電路拓撲,國外在1986年已有產(chǎn)品,效率抵達93%以上。
在DC48V輸入電壓的電源模塊中,效率在93%以上的模塊簡(jiǎn)直無(wú)一例外地采用前級穩壓、后級不調理隔離的計劃,并且將第一級的輸出電容和第二級的輸出電感取消,簡(jiǎn)化了電路構造。
國內的很多開(kāi)關(guān)電源在設計上對構造設計的關(guān)注相對不夠,有時(shí)會(huì )呈現電源內的各局部溫升不均,有的中央過(guò)熱,有的中央簡(jiǎn)直沒(méi)有溫升,以至PCB上產(chǎn)生較大的損耗。一個(gè)好的開(kāi)關(guān)電源應該是產(chǎn)生熱的元件平均散布在PCB上,而且發(fā)熱元件的溫升根本分歧,PCB應有盡可能小的損耗,這在模塊電源和塑料外殼的Adapter的設計中尤為重要。
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程度后將不容無(wú)視。一方面電磁干擾自身耗費能量,特別是電源效率的進(jìn)步常常需求軟開(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)論是特地設置還是電路自身固有),應用這些技術(shù)減緩了開(kāi)關(guān)過(guò)程的電壓、電流的變化速率或消弭了開(kāi)關(guān)過(guò)程,電磁干擾變得很小,不需求像常規開(kāi)關(guān)電源電路中需求特地設置抑止電磁干擾的電路(這個(gè)電路是存在損耗的)。
開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入:高效率功率變換時(shí)期
認真剖析,高效率功率變換看起來(lái)是很簡(jiǎn)單的,以至有些電路拓撲在20多年前就有引見(jiàn)(如兩級變換拓撲構造,早在UNITRODE82/83年數據手冊的ApplicationNote的AN19中就有引見(jiàn)、TEK2235示波器中也采用了這種功率變換拓撲構造),但受當時(shí)的技術(shù)程度,特別是人們認識的限制(總是以為兩級變換的效率比單級低,而事實(shí)上兩級變換能夠完成事實(shí)上的固有的零電壓開(kāi)關(guān),單級變換則需求特殊的附加電路和控制方式)而并沒(méi)有得到供認和應用。器件的性能和人們認識的進(jìn)步曾經(jīng)使兩級變換作為高效率功率變換的主要方式之一。
結語(yǔ)
往常關(guān)于開(kāi)關(guān)電源設計工程師和制造廠(chǎng)商而言,先進(jìn)的功率半導體器件能夠便當得到,先進(jìn)的電路拓撲和控制方式曾經(jīng)開(kāi)端應用,他們所剩下的就是想方法進(jìn)步本人的技術(shù)程度,同時(shí)發(fā)明更好的應用時(shí)機和市場(chǎng)份額。
高效率功率變換:開(kāi)關(guān)電源設計追求的目的
相同體積的電源的功率耗散根本相同,因而,欲得到更大的輸出功率,必需進(jìn)步效率,同時(shí),高的電源效率能夠有效地減小功率半導體器件的應力,有利于進(jìn)步其牢靠性。
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)損耗不斷困惑著(zhù)開(kāi)關(guān)電源設計者,由于功率半導體器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中,器件上同時(shí)存在電流、電壓,因此不可防止地存在開(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完成零電壓開(kāi)關(guān)或零電流開(kāi)關(guān),則其效率能夠明顯進(jìn)步。
開(kāi)關(guān)過(guò)程惹起的開(kāi)關(guān)損耗大致會(huì )占總輸入功率的5%~10%,大幅度降低或消弭這一損耗可使開(kāi)關(guān)電源的效率進(jìn)步5%~10%。最有效的辦法是軟開(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)的計劃中,比擬適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,這種控制方式請求在初級側需附加一續流電感以確保開(kāi)關(guān)管在零電壓狀態(tài)下導通,由于較大的有效值電流流過(guò),這個(gè)附加電感將發(fā)熱(雖然比RC緩沖電路小得多),因此在低壓功率變換中并不采用。
無(wú)源無(wú)損耗緩沖電路的特性是不毀壞常規PWM控制方式,設計/調試簡(jiǎn)單。雖然如此,無(wú)源無(wú)損耗緩沖電路和準諧振/零電壓開(kāi)關(guān)工作方式也存在一些缺陷,如僅能完成關(guān)斷軟開(kāi)關(guān)以及在反激式變換器中不太適于大負載范圍變化。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辦法,最初的專(zhuān)利限制如今已失效,能夠普遍應用。
功率半導體器件的進(jìn)步:高效率功率變換的基本
功率半導體器件的進(jìn)步特別是PowerMOSFET的進(jìn)步引發(fā)出功率變換的一系列的進(jìn)步:PowerMOSFET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)源儲能元件(電感、電容)的體積。低壓PowerMOSFET使低壓同步整流成為理想,器件的導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以至更低,使低壓整流器的效率至少進(jìn)步了10%。高壓PowerMOSFET的導通壓降和開(kāi)關(guān)特性的改善,進(jìn)步了開(kāi)關(guān)電源的初級效率。功率半導體器件的功耗的降低也使散熱器和整機的體積減小。
電源界有一個(gè)不成文的觀(guān)念:不穩壓的比穩壓的效率高、不隔離的比隔離的效率高、窄范圍輸入電壓的比寬范圍輸入的效率高。Vicor的48V輸入電源模塊的效率到達97%。交流輸入開(kāi)關(guān)電源需求功率因數校正,由于功率因數校正已具有穩壓功用,在對輸出紋波請求不高的應用(如輸出接有蓄電池或超級電容器),能夠采用功率因數校正加不調理的隔離變換器電路拓撲,國外在1986年已有產(chǎn)品,效率抵達93%以上。
在DC48V輸入電壓的電源模塊中,效率在93%以上的模塊簡(jiǎn)直無(wú)一例外地采用前級穩壓、后級不調理隔離的計劃,并且將第一級的輸出電容和第二級的輸出電感取消,簡(jiǎn)化了電路構造。
國內的很多開(kāi)關(guān)電源在設計上對構造設計的關(guān)注相對不夠,有時(shí)會(huì )呈現電源內的各局部溫升不均,有的中央過(guò)熱,有的中央簡(jiǎn)直沒(méi)有溫升,以至PCB上產(chǎn)生較大的損耗。一個(gè)好的開(kāi)關(guān)電源應該是產(chǎn)生熱的元件平均散布在PCB上,而且發(fā)熱元件的溫升根本分歧,PCB應有盡可能小的損耗,這在模塊電源和塑料外殼的Adapter的設計中尤為重要。
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程度后將不容無(wú)視。一方面電磁干擾自身耗費能量,特別是電源效率的進(jìn)步常常需求軟開(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)論是特地設置還是電路自身固有),應用這些技術(shù)減緩了開(kāi)關(guān)過(guò)程的電壓、電流的變化速率或消弭了開(kāi)關(guān)過(guò)程,電磁干擾變得很小,不需求像常規開(kāi)關(guān)電源電路中需求特地設置抑止電磁干擾的電路(這個(gè)電路是存在損耗的)。
開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入:高效率功率變換時(shí)期
認真剖析,高效率功率變換看起來(lái)是很簡(jiǎn)單的,以至有些電路拓撲在20多年前就有引見(jiàn)(如兩級變換拓撲構造,早在UNITRODE82/83年數據手冊的ApplicationNote的AN19中就有引見(jiàn)、TEK2235示波器中也采用了這種功率變換拓撲構造),但受當時(shí)的技術(shù)程度,特別是人們認識的限制(總是以為兩級變換的效率比單級低,而事實(shí)上兩級變換能夠完成事實(shí)上的固有的零電壓開(kāi)關(guān),單級變換則需求特殊的附加電路和控制方式)而并沒(méi)有得到供認和應用。器件的性能和人們認識的進(jìn)步曾經(jīng)使兩級變換作為高效率功率變換的主要方式之一。
結語(yǔ)
往常關(guān)于開(kāi)關(guān)電源設計工程師和制造廠(chǎng)商而言,先進(jìn)的功率半導體器件能夠便當得到,先進(jìn)的電路拓撲和控制方式曾經(jīng)開(kāi)端應用,他們所剩下的就是想方法進(jìn)步本人的技術(shù)程度,同時(shí)發(fā)明更好的應用時(shí)機和市場(chǎng)份額。
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