高效率开关电源设计

一、开关电源损耗分析与减小的方法第一页，共九十二页。1（一）导通损耗分析第二页，共九十二页。21.1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。第三页，共九十二页。3MOS作为开关管时的导通损耗其中的电压和电流均为有效值。第四页，共九十二页。4矩形波电流与占空比的关系第五页，共九十二页。5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。第六页，共九十二页。6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。第七页，共九十二页。7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。第八页，共九十二页。81.2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。第九页，共九十二页。91.3.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%。第十页，共九十二页。10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。第十一页，共九十二页。111.4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。第十二页，共九十二页。12（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。第十三页，共九十二页。132.1开关管开关损耗产生的原因第十四页，共九十二页。14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。第十五页，共九十二页。15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。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；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；缩短开关过程可以减小开关损耗第十六页，共九十二页。16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。第十七页，共九十二页。17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31nC第十八页，共九十二页。18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。第十九页，共九十二页。19二极管反向恢复过程产生对开关管开关损耗产生的影响第二十页，共九十二页。20第二十一页，共九十二页。21二极管的反向恢复电流对开关过程的影响第二十二页，共九十二页。22结温升高导致反向恢复峰值电流的增加第二十三页，共九十二页。23IRM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。第二十四页，共九十二页。24近几年新出的FRED的IRM则仅为其额定电流的2/3或更低。DPG30C200HB

VRRM,(V)

200

IFAVM,d=0.5,Total,(A)

30

IFAVM,d=0.5,PerDiode,(A)

15

@TC,(°C)

140

IFRMS,(A)

-

IFSM,10ms,TVJ=45°C,(A)

150

VF,max,TVJ=150°C,(V)

1.00

@IF,(A)

15

trr,typ,TVJ=25°C,(ns)

35

IRM,typ,TVJ=100°C,(A)

3

@-di/dt,(A/µs)

200

TVJM,(°C)

175

RthJC,max,(°C/W)

1.70

第二十五页，共九十二页。25特别是IXYS的HiPerDYN™FRED可以降低到不足额定电流的10%。DPH30IS600HI

VRRM：(V)

600

IFAVM,(d=0.5,Total)

：30A

IFAVM,(d=0.5,PerDiode)

：30A

@TC：140℃

VFmax,IF=IFAVM：1.89VTVJM,(℃)

150

trrtyp,TVJ=25℃,：30ns

IRM

,typ,TVJ=100℃：2.0A

@-di/dt：200

A/µs

TVJM,：125℃

RthJC,max,：0.55℃/W

第二十六页，共九十二页。26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。第二十七页，共九十二页。27（三）其它元件损耗分析第二十八页，共九十二页。28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。第二十九页，共九十二页。291.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。第三十页，共九十二页。302.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。第三十一页，共九十二页。31二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。第三十二页，共九十二页。32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。第三十三页，共九十二页。33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。第三十四页，共九十二页。34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。第三十五页，共九十二页。35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！第三十六页，共九十二页。363.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第三十七页，共九十二页。37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。第三十八页，共九十二页。38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。第三十九页，共九十二页。39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。第四十页，共九十二页。40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。第四十一页，共九十二页。41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第四十二页，共九十二页。42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。第四十三页，共九十二页。434.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。第四十四页，共九十二页。44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。第四十五页，共九十二页。45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。在各种电路结构中，电流断续型反激式开关电源的输出整流滤波所产生的纹波电流最大，电容的损耗也最大。需要选择ESR低的电容器。第四十六页，共九十二页。465.缓冲电路的损耗为了降低开关电源的电磁干扰，需要降低开关管的di/dt、dv/dt，常利用缓冲电路实现。如果缓冲电路是RC或RCD形式，就会产生损耗。如果选用LC或LCD电路形式则可以大幅度降低缓冲电路的损耗。这其中还是存在L、D的损耗以及电容器电压复位时的开关管的损耗。采用软开关或零电压开关可以省去缓冲电路，也没有了缓冲电路的损耗。第四十七页，共九十二页。47（四）减小开关损耗分析第四十八页，共九十二页。484.1用常规技术减小开关管开关损耗1.修正开关管的电压电流波形相位，使其尽可能的错开2.缓冲电容器复位，为下一次起作用做好准备；第四十九页，共九十二页。49开关过程的负载线第五十页，共九十二页。50缓冲电路第五十一页，共九十二页。51DCR存在的问题将开关管的损耗转移到缓冲电路中，实际上并没有提高效率。解决思路：需要将缓冲电容器复位释放的能量回收采用LC谐振使缓冲电容器电压复位第五十二页，共九十二页。524.2采用谐振复位技术降低开关管的开关损耗LC谐振复位的单管变换器缓冲电路第五十三页，共九十二页。53缓冲电路作用期间第五十四页，共九十二页。54缓冲电路的复位过程第五十五页，共九十二页。55相关波形第五十六页，共九十二页。56双管箝位的无源无损耗缓冲电路第五十七页，共九十二页。57开关管导通状态第五十八页，共九十二页。58缓冲电路起作用期间的等效电路第五十九页，共九十二页。59箝位二极管导通第六十页，共九十二页。60开关管重新导通与缓冲电路复位第六十一页，共九十二页。61无源无损耗缓冲电路对效率的贡献与RCD缓冲电路相比，无源无损耗缓冲电路可以提高效率3~5%。第六十二页，共九十二页。62无源无损耗缓冲电路的优缺点优点：可以不改变原有的控制方式，只需将无源无损耗缓冲电路直接替代RCD缓冲电路即可。缺点：缓冲电路中二极管的反向恢复可能引起某种程度的电磁干扰；二级管和复位电感仍会产生一些损耗；缓冲电路复位时将增加开关管的导通损耗。第六十三页，共九十二页。63如何克服无源无损耗缓冲电路的缺点？电路中存在二极管、复位电感等器件在工作过程中均存在损耗问题；解决问题的思路是：设法去掉缓冲电路中的二极管和复位电感；复位电感问题如何解决？可以利用变压器的初级激磁电感；以上这就是准谐振反激式开关电源基本设计思路。第六十四页，共九十二页。64（四）谐振式工作模式可以降低开关损耗3.1准谐振反激式开关电源原理第六十五页，共九十二页。65准谐振反激式开关电源的主电路第六十六页，共九十二页。66缓冲电路作用于复位的等效电路缓冲电路作用期间缓冲电路的复位第六十七页，共九十二页。67主要波形第六十八页，共九十二页。68与无源无损耗缓冲电路相比的优点1.由于采用变压器初级激磁电感作为缓冲电容器的复位电感，缓冲电路中省去了二级管和复位电感；2.由于缓冲电路中仅剩下缓冲电容器，缓冲电路将“没有”损耗产生，效率会进一步提高；3.开关管在漏-源极电压最小值处开通，使开通损耗变得最小化。4.缓冲电容器的复位没有经过开关管，缓冲电路的复位过程不会增加开关管的导通损耗。第六十九页，共九十二页。69效率改善情况准谐振反激式开关电源的效率：比采用无源无损耗缓冲电路的反激式开关电源高5~8%；比RCD高至少10%。第七十页，共九十二页。70准谐振反激式开关电源的不足准谐振反激式开关电源毕竟是通过电感将输入电能转换到输出，使得输入向输出传输电能不连续，因而效率尽管有明显的提高，但是，要进一步提高电源的效率（如90%以上）将是不可能的；开关管的耐压比较高，至少要600V以上，是开关管的性能下降。临界电流型，开关管的损耗要比电流连续型大。第七十一页，共九十二页。71进一步改进效率的思路考虑正激变换器的效率比反激式变换器的效率高，可以考虑在正激变换器中采用谐振式工作模式。问题的关键是变换器如何工作在谐振工作模式，以确保开关管的零电压开关。合适的调频工作模式可以确保开关管的零电压开关。第七十二页，共九十二页。72（四）零电压开关可以有效的“消除”开关损耗第七十三页，共九十二页。734.1自然零电压开关最简单自然零电压开关电路结构最简单，因此下率也将是最高的。第七十四页，共九十二页。74实现零电压开通的条件实现零电压开关的最简单的条件是利用变压器激磁或其它电感迫使开关管导通前，与需要开通的开关管反向并联的二极管导通接续电感中的电流。这样，开关管就可以在反向约0.7V的电压下开通实现零电压开通。也可以利用缓冲电容器复位过程中经开关管电压拉底到零电压或极小值时开通开关管。如准谐振工作模式。第七十五页，共九十二页。75如何创造零电压开通条件？问题的关键在于如何维持变压器漏感电流或激磁电感电流的电流方向不变一直到开关管开通时刻。在桥式或推挽电路结构中，如果不去处理，变压器的激磁会由于输出整流电路的续流作用将输出绕组“短路”，这就不能利用激磁电流维持与开关管反并联的二极管的持续导通，而只能利用变压器漏感。第七十六页，共九十二页。76如何创造零电压开通条件？由于变压器漏感很小通常在很短的时间内就可能将其储能彻底释放，使得开关管开通前，其反并联二极管已经不再导通，令电压开关的条件丧失。尽管如此，还是可以在变压器漏感彻底释放储能前将开开关开通。这种工作方式将不能采用PWM，而只能用扣除死区时间的“100%”占空比的工作方式，如直流母线变换器就是采取这种工作方式老货的高电源效率。第七十七页，共九十二页。77桥式电路结构的零电压开关过程分析第七十八页，共九十二页。78开关管关断过程的电压/电流波形第七十九页，共九十二页。79续流二极管续流电感中的电流第八十页，共九十二页。80下边的开关管开通在下边续流二极管续流的状态下，与其并联的开关管导通，实现了零电压开通。电感电流反向后，开关管不再起到续流作用，正是开始传输功率。第八十一页，共九十二页。