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開關電源進入高效率功率變換時代

标签:  2020-3-27 10:13:31  预览

電子設備特別是計算機的不斷小型化,要求供電電源的體積隨之小型化,因而開關電源開始替代以笨重的工頻變壓器爲特征的線性穩壓電源,同時電源效率得到明顯提高。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前提下,效率必須提高。
    相同体积的电源的功率耗散基本相同,因此,欲得到更大的输出功率,必须提高效率,同时,高的电源效率可以有效地减小功率半导体器件的应力,有利于提高其可靠性。
功率半導體器件的進步:高效率功率變換的根本
    功率半导体器件的进步特别是PowerMOSFET的进步引发出功率变换的一系列的进步:PowerMOSFET的极快的开关速度,使开关电源的开关频率从双极晶体管的20kHz提高到100kHz以上,有效地减小了无源储能元件(电感、电容)的体积。低压PowerMOSFET使低压同步整流成为现实,器件的导通电压从肖特基二极管的0.5V左右,降低到同步整流器的0.1V甚至更低,使低压整流器的效率至少提高了10%。高压PowerMOSFET的导通压降和开关特性的改善,提高了开关电源的初级效率。功率半导体器件的功耗的降低也使散热器和整机的体积减小。
    电源界有一个不成文的观点:不稳压的比稳压的效率高、不隔离的比隔离的效率高、窄范围输入电压的比宽范围输入的效率高。Vicor的48V输入電源模塊的效率達到97%。交流輸入開關電源需要功率因數校正,由于功率因數校正已具有穩壓功能,在對輸出紋波要求不高的應用(如輸出接有蓄電池或超級電容器),可以采用功率因數校正加不調節的隔離變換器電路拓撲,國外在1986年已有産品,效率到達93%以上。
    在DC48V输入电压的電源模塊中,效率在93%以上的模块几乎无一例外地采用前级稳压、后级不调节隔离的方案,并且将第一级的输出电容和第二级的输出电感取消,简化了电路结构。
國內的很多開關電源在設計上對結構設計的關注相對不夠,有時會出現電源內的各部分溫升不均,有的地方過熱,有的地方幾乎沒有溫升,甚至PCB上産生較大的損耗。一個好的開關電源應該是産生熱的元件均勻分布在PCB
上,而且發熱元件的溫升基本一致,PCB應有盡可能小的損耗,這在模塊電源和塑料外殼的Adapter的設計中尤爲重要。
效率提高的同時:電源的電磁幹擾得到減小
    在开关电源的各种损耗中,电磁干扰所产生的损耗,在电源效率高到一定水平后将不容忽视。一方面电磁干扰本身消耗能量,特别是电源效率的提高往往需要软开关技术或零电压开关或零电流开关技术(无论是专门设置还是电路本身固有),应用这些技术减缓了开关过程的电压、电流的变化速率或消除了开关过程,电磁干扰变得很小,不需要像常规开关电源电路中需要专门设置抑制电磁干扰的电路(这个电路是存在损耗的)。
開關電源進入:高效率功率變換時代
    仔细分析,高效率功率变换看起来是很简单的,甚至有些电路拓扑在20多年前就有介绍(如两级变换拓扑结构,早在UNITRODE82/83年数据手册的ApplicationNote的AN19中就有介绍、TEK2235示波器中也采用了这种功率变换拓扑结构),但受当时的技术水平,特别是人们认识的限制(总是认为两级变换的效率比单级低,而事实上两级变换可以实现事实上的固有的零电压开关,单级变换则需要特殊的附加电路和控制方式)而并没有得到承认和应用。器件的性能和人们认识的提高已经使两级变换作为高效率功率变换的主要方式之一。
結語
    如今对于开关电源设计工程师和制造厂商而言,先进的功率半导体器件可以方便得到,先进的电路拓扑和控制方式已经开始应用,他们所剩下的就是想办法提高自己的技术水平,同时创造更好的应用机会和市场份额。