高效率开关电源设计

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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。
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二极管反向恢复过程产生对开关管 开关损耗产生的影响
寄生电感存在于：直流母线、变压器漏感。
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1. 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。
一、开关电源损耗分析与 减小的方法
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（一）导通损耗分析
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1.1 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。
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MOS作为开关管时的导通损耗
其中的电压和电流均为有效值。
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矩形波电流与占空比的关系
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降低开关管的导通电压可以有效地 降低导通损耗
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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。
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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
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1.3.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%。
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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。
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。
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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。
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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) ：30 A IFAVM , (d = 0.5, Per Diode) ： 30 A @ TC ：140 ℃ VFmax, IF=IFAVM ：1.89V TVJM, (℃ ) 150 trr typ, TVJ =25℃,：30ns IRM , typ, TVJ =100℃：2.0A @ -di/dt：200 A/µs TVJM, ：125 ℃ RthJC, max, ：0.55 ℃ /W
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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
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（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。
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2.1 开关管开关损耗产生的原因
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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。
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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！
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二极管的反向恢复电流对开关过程的影响
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结温升高导致反向恢复峰值电流的增加
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IRM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。
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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。
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（三）其它元件损耗分析
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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。
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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。
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变压器漏电感储能的处理与效率
选择肖特基二极管要选用漏电流低的型号。
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1.4 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。
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3. 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
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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。
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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。 1. 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； 2. 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； 3. 缩短开关过程可以减小开关损耗
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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。
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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。
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。
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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。
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1.2 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。
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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。
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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, Per Diode, (A) 15 @ TC, (°C) 140 IFRMS, (A) - IFSM, 10 ms, 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
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2. 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。
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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。
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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。