高效率开关电源设计课程课件

路漫漫其悠远路漫漫其悠远少壮不努力，老大徒悲伤少壮不努力，老大徒悲伤少壮不努力，老大徒悲伤少壮不努力，老大徒悲伤2024/7/29高效率开关电源设计课高效率开关电源设计课程程路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂（一）导通损耗分析 2 2路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂1.1常规技术下变换器的损耗主要是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开关管和输出整流器的损耗l1.开关管的导通损耗；开关管的导通损耗；l2.开关管的开关损耗。开关管的开关损耗。3 3路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂MOS作为开关管时的导通损耗作为开关管时的导通损耗其中的电压和电流均为有效值。其中的电压和电流均为有效值。4 4路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂矩形波电流与占空比的关系矩形波电流与占空比的关系 5 5路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂降低开关管的导通电压可以有效地降低开关管的导通电压可以有效地降低导通损耗降低导通损耗l1.对于对于MOSFET而言，降低导通电阻可以有而言，降低导通电阻可以有效降低导通损耗。效降低导通损耗。例如将IRF840换成IRF740可以将导通电阻从0.8降低到0.55，导通损耗可以降低40%以上；若采用CoolMOS的SPP07N06C3(RDS(ON)=0.6)替代IRFBC40（RDS（ON）=1.2）导通损耗可以降低一半。6 6路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂增加占空比增加占空比可以降低导通损耗可以降低导通损耗l在开关管额定电流相同的条件下，占空比在开关管额定电流相同的条件下，占空比为为0.5的导通损耗是占空比的导通损耗是占空比0.4的导通损耗的的导通损耗的80%。l这种损耗的减少是在这种损耗的减少是在不增加成本和电路复不增加成本和电路复杂性条件下杂性条件下通过改变工作状态轻而易举得通过改变工作状态轻而易举得到的。到的。7 7路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂常规技术下开关管的导通损耗比例常规技术下开关管的导通损耗比例lMOSFET作为开关管时，导通损耗一般占作为开关管时，导通损耗一般占开关管开关管总损耗总损耗的的2/3；lIGBT作为开关管时，导通损耗一般占开关作为开关管时，导通损耗一般占开关管管总损耗总损耗的的1/3。8 8路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂1.2降低降低导通损耗导通损耗的方法的方法l选择合适的工作模式，尽可能的提高开关管的导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）；通占空比（不能无限制增加）；l选择导通电阻相对低的选择导通电阻相对低的MOSFET；l降额使用，例如将可以输出降额使用，例如将可以输出250W的的TOP250用于用于输出输出50W的方案中，可以使电源效率达到的方案中，可以使电源效率达到87%；l选择产品出厂时间比较晚的器件性能会比出厂时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；间比较早的器件导通电阻小；l选择导通电压降更低的器件作为开关管，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。9 9路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂1.3.输出整流器的损耗输出整流器的损耗l输出整流器的损耗主要是输出整流器的损耗主要是导通损耗导通损耗。l在低电压输出时（如在低电压输出时（如5V或或3.3V），即使采），即使采用肖特基二极管（导通电压降约用肖特基二极管（导通电压降约0.5V）作）作为输出整流器，其导通损耗也会使这一部为输出整流器，其导通损耗也会使这一部分的效率不足分的效率不足10%！这样整机的效率大部！这样整机的效率大部分不会超过分不会超过80%。1010路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂需要注意肖特基二极管的漏电流需要注意肖特基二极管的漏电流l尽管肖特基二极管的导通电压降比较低，但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。比由于低导通电压所减少的损耗还大。l这就是有时应用肖特基二极管时这就是有时应用肖特基二极管时效率并不是效率并不是很高很高的原因之一。的原因之一。l选择肖特基二极管要选用漏电流低的型号。选择肖特基二极管要选用漏电流低的型号。1111路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂1.4同步整流器可以使输出整流器的同步整流器可以使输出整流器的导通损耗降低导通损耗降低l为了降低输出整流器的导通损耗，可以采为了降低输出整流器的导通损耗，可以采用用MOSFET构成同步整流器，如果一个导构成同步整流器，如果一个导通电阻为通电阻为10m的的MOSFET流流过过20A电电流，流，其其导导通通电压电压降降仅仅仅仅0.2V！明！明显显低于肖特基低于肖特基二极管的在二极管的在这这个个电电流下的流下的导导通通电压电压，如果，如果流流过过10A电电流，流，则导则导通通电压电压会更低。会更低。l现现在的高效率开关在的高效率开关电电源的源的输输出整流器主要出整流器主要采用同步整流器。采用同步整流器。1212路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂（二）开关管的开关损耗分析（二）开关管的开关损耗分析l在常规技术下，开关损耗随开关频率的升在常规技术下，开关损耗随开关频率的升高而上升，高而上升，l轻载时（如轻载时（如30%负载）开关电源的效率会负载）开关电源的效率会明显降低。明显降低。1313路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂2.1开关管开关损耗产生的原因开关管开关损耗产生的原因 1414路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂开关过程对损耗的影响l开关管开关过程是开关感性负载，开关管开关过程是开关感性负载，l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；l关断过程则是电压上升到“电源电压”，然后才是电流的下降。l这些过程中，有电压电流同时存在的现象。这些过程中，有电压电流同时存在的现象。l其电流、电压的乘积非常高，因而产生开关其电流、电压的乘积非常高，因而产生开关损耗。损耗。1515路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂开关过程对开关损耗的影响开关过程对开关损耗的影响l开关管的开关过程中，电流、电压同时存在，开关管的开关过程中，电流、电压同时存在，这个这个过程越长开关损耗越大过程越长开关损耗越大。1.1.在开关管的开关过程中让电流、电压相对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；的相位发生变化可以降低开关损耗；2.2.在开关管的开关过程中电流、电压值存在一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；个，而另一个为零，可以消除开关损耗；3.3.缩短开关过程可以减小开关损耗缩短开关过程可以减小开关损耗 1616路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂驱动能力对开关损耗产生的影响驱动能力对开关损耗产生的影响l驱动驱动MOSFET实际上是对实际上是对MOSFET的栅极的栅极电容的充放电过程。电容的充放电过程。l例如在例如在100ns时间内驱动一个时间内驱动一个100nC栅极电栅极电荷的荷的MOSFET由关断到导通或由导通到关由关断到导通或由导通到关断需要断需要1A驱动电流，如果是驱动电流，如果是200mA则驱动则驱动时间就会变为时间就会变为500ns。对应的开关损耗将会。对应的开关损耗将会增加到增加到1A驱动电流的驱动电流的5倍。倍。l因此，驱动电流对于快速开关因此，驱动电流对于快速开关MOSFET非非常重要。常重要。1717路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂栅极电荷对开关损耗产生的影响栅极电荷对开关损耗产生的影响l其中对其中对MOSFET开关过程影响最大的是米开关过程影响最大的是米勒电荷，即栅勒电荷，即栅-漏极电荷。漏极电荷。l例如栅极电荷为例如栅极电荷为140nC的的IRFP450（14A/500V）的栅）的栅-漏极电荷为漏极电荷为80nC。l而而fairchild的的FQAF16N50（16A/500V，全塑封装为全塑封装为11.5A）的栅）的栅-漏极电荷为漏极电荷为28nC；lST的的STE14NK50Z的栅的栅-漏极电荷为漏极电荷为31nC 1818路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂栅极电荷对开关损耗产生的影响栅极电荷对开关损耗产生的影响l在相同的驱动条件下，在相同的驱动条件下，IRFP450的开关时间的开关时间大约为大约为FQAF16N50的的2.86倍；倍；l是是STE14NK50Z的的2.58倍。倍。l对应的对应的ORFP450的开关损耗也将是的开关损耗也将是FQAF16N50的的2.86倍，倍，STE14NK50Z的的2.58倍。倍。1919路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂二极管反向恢复过程产生对开关管二极管反向恢复过程产生对开关管开关损耗产生的影响开关损耗产生的影响 2020路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂 2121路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂二极管的反向恢复电流对开关过程的影响二极管的反向恢复电流对开关过程的影响 2222路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂结温升高导致反向恢复峰值电流的增加 2323路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂IRM值有多大？值有多大？l一般的一般的FRED在在100A/s和和150结结温温条件条件下要比其正向下要比其正向额额定定电电流流还还大。大。l为为了降低了降低600V耐耐压压的的FRED反向峰反向峰值电值电流，流，甚至甚至还还采用了两只采用了两只300V耐耐压压的的FRED，特，特别别是在功率因数校正是在功率因数校正应应用中。用中。2424路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂近几年新出的近几年新出的FRED的的IRM则仅为则仅为其其额额定定电电流的流的2/3或更低。或更低。lDPG30C200HBlVRRM,(V)200lIFAVM,d=0.5,Total,(A)30lIFAVM,d=0.5,PerDiode,(A)15lTC,(C)140lIFRMS,(A)-IFSM,10ms,TVJ=45C,(A)150lVF,max,TVJ=150C,(V)1.00lIF,(A)15ltrr,typ,TVJ=25C,(ns)35lIRM,typ,TVJ=100C,(A)3l-di/dt,(A/s)200lTVJM,(C)175lRthJC,max,(C/W)1.70 2525路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂特别是特别是IXYS的的HiPerDYNFRED可以降低到不足额定电流的可以降低到不足额定电流的10%。lDPH30IS600HIlVRRM：(V)600lIFAVM,(d=0.5,Total)：30AlIFAVM,(d=0.5,PerDiode)：30AlTC：140lVFmax,IF=IFAVM：1.89VlTVJM,()150ltrrtyp,TVJ=25,：30nslIRM,typ,TVJ=100：2.0Al-di/dt：200A/slTVJM,：125lRthJC,max,：0.55/W 2626路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂碳化硅二极管的反向恢复时间与峰值电流更低碳化硅二极管的反向恢复时间与峰值电流更低l通过采用性能优异的FREDFRED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，l提高开关频率，l减小变换器的体积。2727路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂（三）其它元件损耗分析（三）其它元件损耗分析 2828路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂线路寄生电感产生的开关损耗线路寄生电感产生的开关损耗l线路的寄生电感在每一次开关过程都要将其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。成开关损耗的主要原因之一。l寄生电感存在于：直流母线、变压器漏感。寄生电感存在于：直流母线、变压器漏感。2929路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂1.输入整流器的损耗分析输入整流器的损耗分析l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。l其二，从工作状态看，整流电路的导通角越接近180效率越高。3030路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂2.输出整流器损耗分析输出整流器损耗分析l在一般情况下，输出整流器的损耗主要是在一般情况下，输出整流器的损耗主要是导通损耗；导通损耗；l如果输出整流器选用肖特基二极管，则在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。生的损耗将不可忽视。3131路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂二极管的导通损耗对比较高的输出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电压电路的效率影响比较小l在在比较高的输出电压条件比较高的输出电压条件下，输出整流二下，输出整流二极管的导通电压产生的损耗对整机效率的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。极管就可以获得很高的效率。3232路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂低电压输出时整流二极管的损耗低电压输出时整流二极管的损耗不可忽视（不可忽视（1）l低电压输出时整流二极管的电压降将不可低电压输出时整流二极管的电压降将不可忽略。忽略。l例如输出电压为例如输出电压为24V或低于或低于24V时，如果采时，如果采用桥式整流电路结构和超快速二极管所产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生的电压降将超过2.4V，这时由于整流器，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的导通损耗就使得输出整流电路本身的效率不会超过率不会超过90%。采用全波整流电路可以。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。使整流电路的损耗降低到原来的一半。l因此，全波整流电路是低压整流电路的首因此，全波整流电路是低压整流电路的首选电路结构。选电路结构。3333路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂低电压输出时整流二极管的损耗低电压输出时整流二极管的损耗不可忽视（不可忽视（2）l输出电压为输出电压为12V或低于或低于12V时，即使采用全时，即使采用全波整流电路，而采用超快速二极管也不会波整流电路，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使得输出整流电路本身的效率超过90%；l输出电压为输出电压为5V时，采用全波整流电路和超时，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快速二极管将使得输出整流电路本身的效率不会超过率不会超过80%；l即使采用肖特基二极管，整流电路本身的即使采用肖特基二极管，整流电路本身的效率不会超过效率不会超过90%；l输出电压为输出电压为3.3V或更低时，即使采用肖特或更低时，即使采用肖特基二极管，效率也不会另人满意。基二极管，效率也不会另人满意。3434路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂肖特基二极管在高温状态下的肖特基二极管在高温状态下的漏电流损耗不可忽视漏电流损耗不可忽视l肖特基二极管在高结温状态下漏电流会很大，如肖特基二极管在高结温状态下漏电流会很大，如最常见的最常见的MBR3045的高结温和额定反向电压下的的高结温和额定反向电压下的漏电流将达到漏电流将达到100mA，在，在40V的反向电压下的漏的反向电压下的漏电流损耗将达到电流损耗将达到4W。对于。对于15A/0.5V的导通电压和的导通电压和电流与电流与15A/1.2V的的10.5W实际仅减小实际仅减小6.5W甚至更甚至更低。仅为想象中的效率提高程度的低。仅为想象中的效率提高程度的70%。l而在降额一般使用时，肖特基二极管减小的导通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。基二极管将没有意义。l如果将漏电流减小到如果将漏电流减小到1/3甚至更低，则漏电流的损甚至更低，则漏电流的损耗就可能在众多损耗中忽略。耗就可能在众多损耗中忽略。3535路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂同步整流器可以提高输出整流器的效率同步整流器可以提高输出整流器的效率l在低压整流输出时，仅仅采用肖特基二极在低压整流输出时，仅仅采用肖特基二极管的电源效率不会很高，对于管的电源效率不会很高，对于5V输出一般输出一般为为79%或低于或低于70%，3.3V输出的电源效率输出的电源效率会更低！会更低！l由于肖特基二极管是所有二极管中导通电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。能满意将找不到合适的二极管。l选用选用MOSFET可以使得整流器的导通电压可以使得整流器的导通电压降低于降低于0.5V，甚至可以低于，甚至可以低于0.1V！3636路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂3.变压器与电感损耗分析变压器与电感损耗分析l开关管、二极管的损耗有效降低后，磁性开关管、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元件的损耗将是进一步提高开关电源效率的突破点的突破点 3737路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂变压器漏感储能的处理与效率变压器漏感储能的处理与效率l变压器的漏感储能在每一次开关过程中完变压器的漏感储能在每一次开关过程中完全释放；全释放；l这个储能不能耦合到输出，只能在变压器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；的初级侧进行交换；l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。3838路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂变压器漏感储能的处理与效率（变压器漏感储能的处理与效率（1）l如果箝位电路是如果箝位电路是RCD电路，则漏感的储能电路，则漏感的储能将被完全转化为热能消耗掉，使得电源的将被完全转化为热能消耗掉，使得电源的效率降低。效率降低。l为了使这一部分能量不转化为热量，需要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。构和相应的工作模式。l或者将单管电路结构变为双管箝位电路结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。开关管关断过程回馈的直流母线。3939路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂变压器激磁电感变压器激磁电感储能的处理与效率（储能的处理与效率（2）l变压器的磁路中的磁场由激磁电感建立，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，折算为功率就是能释放到箝位电路中，折算为功率就是fLIM2/2。l如果箝位电路采用如果箝位电路采用RCD，则这部分的能量，则这部分的能量将完全被转化为热能，使得开关电源的效将完全被转化为热能，使得开关电源的效率降低。率降低。l可以采用绕组箝位或有源箝位电路将这部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。磁通复位时反向激磁的能量。4040路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂变压器激磁电感变压器激磁电感储能的处理与效率（储能的处理与效率（3）l如果电路采用桥式电路结构或推挽式电路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。的反向激磁电流分量。l这种通过正反向激磁的方式充分利用激磁这种通过正反向激磁的方式充分利用激磁电感中的储能。电感中的储能。4141路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂变压器激磁电感与漏感储能的处理与效率变压器激磁电感与漏感储能的处理与效率l如果单管正激、反激式开关电源采用双管如果单管正激、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。能将回馈到直流母线中。l因此，常规技术的因此，常规技术的双管箝位电路双管箝位电路的效率比的效率比单管电路单管电路的的效率高效率高一些。一些。l其差值主要是变压器激磁电感与漏感储能其差值主要是变压器激磁电感与漏感储能的处理方式的处理方式 4242路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂变压器漏电感变压器漏电感储能的处理与效率储能的处理与效率l在桥式电路结构和推挽式电路结构中，变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。压器漏感的储能可以部分回馈到直流母线。4343路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂4.电容器损耗分析电容器损耗分析l电容器的损耗主要是输入整流滤波电容器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。的损耗和输出整流滤波电容器的损耗。4444路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂输入整流滤波电容器的损耗分析输入整流滤波电容器的损耗分析l例如一个例如一个100F/400V的的铝电铝电解解电电容器的等容器的等效串效串联电联电阻阻(ESR)约约2，在，在220V市市电电供供电电条件下条件下100F/400V的的铝电铝电解解电电容器作容器作为为100W开关开关电电源的整流源的整流滤滤波波电电容器将流容器将流过过近近1A的整流的整流纹纹波波电电流，流，还还有有变换变换器部分的高器部分的高频频开关开关频频率的率的纹纹波波电电流。流。l这时这时的的这这个个电电容器容器损损耗近耗近2W，在高效率开，在高效率开关关电电源的源的设计设计中，如果能中，如果能够够降低降低这这一部分一部分的的损损耗也会耗也会对对整个整个电电路效率的提高起到有路效率的提高起到有益的作用。益的作用。4545路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂输出整流滤波电容器的损耗分析输出整流滤波电容器的损耗分析l由于输出整流滤波电容器需要吸收输出整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。整流滤波电容器的损耗。l在各种电路结构中，电流断续型反激式开在各种电路结构中，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。最大，电容的损耗也最大。l需要选择需要选择ESR低的电容器。低的电容器。4646路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂5.缓冲电路的损耗缓冲电路的损耗l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。l如果缓冲电路是RC或RCD形式，就会产生损耗。l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。l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。4747路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂（四）减小开关损耗分析（四）减小开关损耗分析 4848路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂4.1用常规技术减小开关管开关损耗用常规技术减小开关管开关损耗l1.修正开关管的电压电流波形相位，使其修正开关管的电压电流波形相位，使其尽可能的错开尽可能的错开l2.缓冲电容器复位，为下一次起作用做好缓冲电容器复位，为下一次起作用做好准备；准备；4949路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂开关过程的负载线开关过程的负载线 5050路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂缓冲电路缓冲电路 5151路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂DCR存在的问题存在的问题l将开关管的损耗转移到缓冲电路中，实际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。上并没有提高效率。解决思路：解决思路：l需要将缓冲电容器复位释放的能量回收需要将缓冲电容器复位释放的能量回收l采用采用LC谐振使缓冲电容器电压复位谐振使缓冲电容器电压复位 5252路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂4.2采用谐振复位技术降低开关管的采用谐振复位技术降低开关管的开关损耗开关损耗LC谐振复位的单管变换器缓冲电路谐振复位的单管变换器缓冲电路 5353路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂缓冲电路作用期间缓冲电路作用期间 5454路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂缓冲电路的复位过程缓冲电路的复位过程 5555路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂相关波形相关波形 5656路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂双管箝位的无源无损耗缓冲电路双管箝位的无源无损耗缓冲电路 5757路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂开关管导通状态开关管导通状态 5858路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂缓冲电路起作用期间的等效电路缓冲电路起作用期间的等效电路 5959路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂箝位二极管导通箝位二极管导通 6060路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂开关管重新导通与缓冲电路复位开关管重新导通与缓冲电路复位 6161路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂无源无损耗缓冲电路对效率的贡献无源无损耗缓冲电路对效率的贡献l与RCD缓冲电路相比，无源无损耗缓冲电路可以提高效率35%。6262路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂无源无损耗缓冲电路的优缺点无源无损耗缓冲电路的优缺点l优点：可以不改变原有的控制方式，只需优点：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将无源无损耗缓冲电路直接替代RCD缓冲缓冲电路即可。电路即可。l缺点：缓冲电路中二极管的反向恢复可能缺点：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。将增加开关管的导通损耗。6363路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂如何克服无源无损耗缓冲电路的缺点？如何克服无源无损耗缓冲电路的缺点？l电路中存在二极管、复位电感等器件在工电路中存在二极管、复位电感等器件在工作过程中均存在损耗问题；作过程中均存在损耗问题；l解决问题的思路是：设法去掉缓冲电路中解决问题的思路是：设法去掉缓冲电路中的二极管和复位电感；的二极管和复位电感；l复位电感问题如何解决？可以利用变压器复位电感问题如何解决？可以利用变压器的初级激磁电感；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以上这就是准谐振反激式开关电源基本设计思路。思路。6464路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂（四）谐振式工作模式可以降（四）谐振式工作模式可以降低开关损耗低开关损耗3.1准谐振反激式开关电源原理准谐振反激式开关电源原理 6565路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂准谐振反激式开关电源的主电路准谐振反激式开关电源的主电路 6666路漫漫其悠远路漫漫其悠远少壮不努力，老大徒悲伤少壮不努力，老大徒悲伤少壮不努力，老大徒悲伤少壮不努力，老大徒悲伤缓冲电路作用于复位的等效电路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作用期间 缓冲电路的复位缓冲电路的复位路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂主要波形主要波形 6868路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂与无源无损耗缓冲电路相比的优点与无源无损耗缓冲电路相比的优点l1.由于采用由于采用变压器初级激磁电感作为缓冲变压器初级激磁电感作为缓冲电容器的复位电感电容器的复位电感，缓冲电路中省去了二，缓冲电路中省去了二级管和复位电感；级管和复位电感；l2.由于缓冲电路中仅剩下缓冲电容器，缓由于缓冲电路中仅剩下缓冲电容器，缓冲电路将冲电路将“没有没有”损耗产生，效率会进一步损耗产生，效率会进一步提高；提高；l3.开关管在漏开关管在漏-源极电压最小值处开通，使源极电压最小值处开通，使开通损耗变得最小化。开通损耗变得最小化。l4.缓冲电容器的复位没有经过开关管，缓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冲电路的复位过程不会增加开关管的导通损耗。损耗。6969路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂效率改善情况效率改善情况准谐振反激式开关电源的效率：准谐振反激式开关电源的效率：l比采用无源无损耗缓冲电路的反激式开关比采用无源无损耗缓冲电路的反激式开关电源高电源高58%；l比比RCD高至少高至少10%。7070路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂准谐振反激式开关电源的不足准谐振反激式开关电源的不足l准谐振反激式开关电源毕竟是通过电感将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（如高，但是，要进一步提高电源的效率（如90%以上）将是不可能的；以上）将是不可能的；l开关管的耐压比较高，至少要开关管的耐压比较高，至少要600V以上，以上，是开关管的性能下降。是开关管的性能下降。l临界电流型，开关管的损耗要比电流连续临界电流型，开关管的损耗要比电流连续型大。型大。7171路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂进一步改进效率的思路l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。l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。l合适的调频工作模式可以确保开关管的零电压开关。7272路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂（四）零电压开关可以（四）零电压开关可以有效的有效的“消除消除”开关损耗开关损耗 7373路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂4.1自然零电压开关最简单自然零电压开关最简单l自然零电压开关电路结构最简单，因此下自然零电压开关电路结构最简单，因此下率也将是最高的。率也将是最高的。7474路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂实现零电压开通的条件实现零电压开通的条件l实现零电压开关的最简单的条件是利用变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，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。通接续电感中的电流。l这样，开关管就可以在反向约这样，开关管就可以在反向约0.7V的电压的电压下开通实现零电压开通。下开通实现零电压开通。l也可以利用缓冲电容器复位过程中经开关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。管。如准谐振工作模式。7575路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂如何创造零电压开通条件？如何创造零电压开通条件？l问题的关键在于如何维持变压器漏感电流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或激磁电感电流的电流方向不变一直到开关管开通时刻。关管开通时刻。l在桥式或推挽电路结构中，如果不去处理，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作用将输出绕组“短路短路”，这就不能利用激，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。续导通，而只能利用变压器漏感。7676路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂如何创造零电压开通条件？如何创造零电压开通条件？l由于变压器漏感很小通常在很短的时间内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。电压开关的条件丧失。l尽管如此，还是可以在变压器漏感彻底释尽管如此，还是可以在变压器漏感彻底释放储能前将开开关开通。这种工作方式将放储能前将开开关开通。这种工作方式将不能采用不能采用PWM，而只能用扣除死区时间的，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换器就是采取这种工作方式老货的高电源效率。效率。7777路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂桥式电路结构的零电压开关过程分析桥式电路结构的零电压开关过程分析 7878路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂开关管关断过程的电压/电流波形 7979路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂续流二极管续流电感中的电流 8080路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂下边的开关管开通l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。l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。8181路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂开关管零电压开通过程主要波形 8282路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂零电压关断的条件零电压关断的条件l在准谐振反激式开关电源电路或有源箝位在准谐振反激式开关电源电路或有源箝位单管正激开关电源电路中，零电压关断是单管正激开关电源电路中，零电压关断是利用缓中电容器的电压不能跃变特性，通利用缓中电容器的电压不能跃变特性，通过快速关断开关管，将变压器漏感的电流过快速关断开关管，将变压器漏感的电流在缓冲电容器电压很底时转移到缓冲电容在缓冲电容器电压很底时转移到缓冲电容器中，部分的实现开关管的零电压关断。器中，部分的实现开关管的零电压关断。8383路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂零电压关断的条件零电压关断的条件l利用外电路也可以实现零电压开关：利用外电路也可以实现零电压开关：如零电压开关同步整流器。如零电压开关同步整流器。8484路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂零电压开关同步整流器零电压开关同步整流器 8585路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂自然零电压开关的主要波形 8686路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂（五）（五）LLC谐振桥式变换器谐振桥式变换器lLLC谐振是桥式变换器获得零电压开关的最有效的方法谐振是桥式变换器获得零电压开关的最有效的方法 8787路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂开关频率低于LC谐振频率时的等效电路 8888路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂开关频率低于LC谐振频率的主要波形 8989路漫漫其悠远路漫漫其悠远锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂锲而不舍，金石可镂开关频率高于LC谐振频率的主要波形 9090