開關(guān)電源進入高效率功率變換時代

電子設(shè)備特別是計算機的不時小型化,請求供電電源的體積隨之小型化,因此開關(guān)電源開端替代以笨重的工頻變壓器為特征的線性穩(wěn)壓電源,同時電源效率得到明顯進步。電源體積的減小意味著散熱才能的變差,因此請求電源的功耗變小,即在輸出功率不變的前提下,效率必需進步。
高效率功率變換:開關(guān)電源設(shè)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,必需進步效率,同時,高的電源效率能夠有效地減小功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)力,有利于進步其牢靠性。
    開關(guān)電源的損耗主要為:無源元件損耗和有源元件損耗
    開關(guān)損耗不斷困惑著開關(guān)電源設(shè)計者,由于功率半導(dǎo)體器件在開關(guān)過程中,器件上同時存在電流、電壓,因此不可防止地存在開關(guān)損耗,假如開關(guān)電源中開關(guān)管和輸出整流二極管能完成零電壓開關(guān)或零電流開關(guān),則其效率能夠明顯進步。
    開關(guān)過程惹起的開關(guān)損耗大致會占總輸入功率的5%~10%,大幅度降低或消弭這一損耗可使開關(guān)電源的效率進步5%~10%。最有效的辦法是軟開關(guān)技術(shù)或零電壓開關(guān)或零電流開關(guān)技術(shù)。
    在眾多軟開關(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關(guān)的控制方式,這種控制方式請求在初級側(cè)需附加一續(xù)流電感以確保開關(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,這個附加電感將發(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。
無源無損耗緩沖電路的特性是不毀壞常規(guī)PWM控制方式,設(shè)計/調(diào)試簡單。雖然如此,無源無損耗緩沖電路和準諧振/零電壓開關(guān)工作方式也存在一些缺陷,如僅能完成關(guān)斷軟開關(guān)以及在反激式變換器中不太適于大負載范圍變化。軟開關(guān)中有源箝位是進步單管正/反激變換器效率的有效辦法,最初的專利限制如今已失效,能夠普遍應(yīng)用。
    功率半導(dǎo)體器件的進步:高效率功率變換的基本
    功率半導(dǎo)體器件的進步特別是PowerMOSFET的進步引發(fā)出功率變換的一系列的進步:PowerMOSFET的極快的開關(guān)速度,使開關(guān)電源的開關(guān)頻率從雙極晶體管的20kHz進步到100kHz以上,有效地減小了無源儲能元件(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(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以至更低,使低壓整流器的效率至少進步了10%。高壓PowerMOSFET的導(dǎo)通壓降和開關(guān)特性的改善,進步了開關(guān)電源的初級效率。功率半導(dǎo)體器件的功耗的降低也使散熱器和整機的體積減小。
    電源界有一個不成文的觀念: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%。交流輸入開關(guān)電源需求功率因數(shù)校正,由于功率因數(shù)校正已具有穩(wěn)壓功用,在對輸出紋波請求不高的應(yīng)用(如輸出接有蓄電池或超級電容器),能夠采用功率因數(shù)校正加不調(diào)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%以上的模塊簡直無一例外地采用前級穩(wěn)壓、后級不調(diào)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,簡化了電路構(gòu)造。
國內(nèi)的很多開關(guān)電源在設(shè)計上對構(gòu)造設(shè)計的關(guān)注相對不夠,有時會呈現(xiàn)電源內(nèi)的各局部溫升不均,有的中央過熱,有的中央簡直沒有溫升,以至PCB上產(chǎn)生較大的損耗。一個好的開關(guān)電源應(yīng)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(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)計中尤為重要。
    效率進步的同時:電源的電磁干擾得到減小
    在開關(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視。一方面電磁干擾自身耗費能量,特別是電源效率的進步常常需求軟開關(guān)技術(shù)或零電壓開關(guān)或零電流開關(guān)技術(shù)(無論是特地設(shè)置還是電路自身固有),應(yīng)用這些技術(shù)減緩了開關(guān)過程的電壓、電流的變化速率或消弭了開關(guān)過程,電磁干擾變得很小,不需求像常規(guī)開關(guān)電源電路中需求特地設(shè)置抑止電磁干擾的電路(這個電路是存在損耗的)。
    開關(guān)電源進入:高效率功率變換時期
    認真剖析,高效率功率變換看起來是很簡單的,以至有些電路拓撲在20多年前就有引見(如兩級變換拓撲構(gòu)造,早在UNITRODE82/83年數(shù)據(jù)手冊的ApplicationNote的AN19中就有引見、TEK2235示波器中也采用了這種功率變換拓撲構(gòu)造),但受當(dāng)時的技術(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,而事實上兩級變換能夠完成事實上的固有的零電壓開關(guān),單級變換則需求特殊的附加電路和控制方式)而并沒有得到供認和應(yīng)用。器件的性能和人們認識的進步曾經(jīng)使兩級變換作為高效率功率變換的主要方式之一。
    結(jié)語
    往常關(guān)于開關(guān)電源設(shè)計工程師和制造廠商而言,先進的功率半導(dǎo)體器件能夠便當(dāng)?shù)玫,先進的電路拓撲和控制方式曾經(jīng)開端應(yīng)用,他們所剩下的就是想方法進步本人的技術(shù)程度,同時發(fā)明更好的應(yīng)用時機和市場份額。


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