功率開關(guān)電源有關(guān)的損耗，你值得收藏

通常情況下想要搞清楚構(gòu)成一個(gè)典型變換器的每個(gè)元器件上的寄生參數(shù)的性質(zhì)，將有助于確定磁性元件參數(shù)、設(shè)計(jì) PCB、設(shè)計(jì) EMI 濾波器等。這是所有開關(guān)電源設(shè)計(jì)中最難的一部分。

提高開關(guān)電源的效率，就必須分辨和粗略估算各種損耗。開關(guān)電源內(nèi)部的損耗大致可分為四個(gè)方面：開關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗、附加損耗和電阻損耗。這些損耗通常會(huì)在有損元器件中同時(shí)出現(xiàn)，下面將分別討論。

01

與功率開關(guān)有關(guān)的損耗

功率開關(guān)是典型的開關(guān)電源內(nèi)部最主要的兩個(gè)損耗源之一。損耗基本上可分為兩部分：導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗是當(dāng)功率器件已被開通，且驅(qū)動(dòng)和開關(guān)波形已經(jīng)穩(wěn)定以后，功率開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的損耗;開關(guān)損耗是出現(xiàn)在功率開關(guān)被驅(qū)動(dòng)，進(jìn)入一個(gè)新的工作狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)和開關(guān)波形處于過渡過程時(shí)的損耗。這些階段和它們的波形見圖 1。

導(dǎo)通損耗可由開關(guān)兩端電壓和電流波形乘積測(cè)得。這些波形都近似線性，導(dǎo)通期間的功率損耗由式(1)給出。

控制這個(gè)損耗的典型方法是使功率開關(guān)導(dǎo)通期間的電壓降最小。要達(dá)到這個(gè)目的，設(shè)計(jì)者必須使開關(guān)工作在飽和狀態(tài)。這些條件由式(2a)和式(2b)給出，通過基極或柵極過電流驅(qū)動(dòng)，確保由外部元器件而不是功率開關(guān)本身對(duì)集電極或漏極電流進(jìn)行控制。

電源開關(guān)轉(zhuǎn)換期間的開關(guān)損耗就更復(fù)雜，既有本身的因素，也有相關(guān)元器件的影響。與損耗有關(guān)的波形只能通過電壓探頭接在漏源極(集射極)端的示波器觀察得到，交流電流探頭可測(cè)量漏極或集電極電流。測(cè)量每一開關(guān)瞬間的損耗時(shí)，必須使用帶屏蔽的短引線探頭，因?yàn)槿魏斡虚L(zhǎng)度的非屏蔽的導(dǎo)線都可能引入其他電源發(fā)出的噪聲，從而不能準(zhǔn)確顯示真實(shí)的波形。一旦得到了好的波形，就可用簡(jiǎn)單的三角形和矩形分段求和的方法，粗略算出這兩條曲線所包圍的面積。例如圖 1 的開通損耗可用式(3)計(jì)算。

這個(gè)結(jié)果只是功率開關(guān)開通期間的損耗值，再加上關(guān)斷和導(dǎo)通損耗可以得到開關(guān)期間的總損耗值。

02

與輸出整流器有關(guān)的損耗

在典型的非同步整流器開關(guān)電源內(nèi)部的總損耗中，輸出整流器的損耗占據(jù)了全部損耗的 40%-65%。所以理解這一節(jié)非常重要。從圖 2 中可看到與輸出整流器有關(guān)的波形。

整流器損耗也可以分成三個(gè)部分：開通損耗、導(dǎo)通損耗、關(guān)斷損耗。

整流器的導(dǎo)通損耗就是在整流器導(dǎo)通并且電流電壓波形穩(wěn)定時(shí)的損耗。這個(gè)損耗的抑制是通過選擇流過一定電流時(shí)最低正向壓降的整流管而實(shí)現(xiàn)的。PN 二極管具有更平坦的正向 V-I 特性，但電壓降卻比較高(0.7～1.1V);肖特基二極管轉(zhuǎn)折電壓較低(O.3～0.6V)，但電壓一電流特性不太陡，這意味著隨著電流的增大，它的正向電壓的增加要比 PN 二極管更快。將波形中的過渡過程分段轉(zhuǎn)化成矩形和三角形面積，利用式(3)可以計(jì)算出這個(gè)損耗。

分析輸出整流器的開關(guān)損耗則要復(fù)雜得多。整流器自身固有的特性在局部電路內(nèi)會(huì)引發(fā)很多問題。

開通期間，過渡過程是由整流管的正向恢復(fù)特性決定的。正向恢復(fù)時(shí)間 tfrr 是二極管兩端加上正向電壓到開始流過正向電流時(shí)所用的時(shí)間。對(duì)于 PN 型快恢復(fù)二極管而言，這個(gè)時(shí)間是 5～15ns。肖特基二極管由于自身固有的更高的結(jié)電容，因此有時(shí)會(huì)表現(xiàn)出更長(zhǎng)的正向恢復(fù)時(shí)間特性。盡管這個(gè)損耗不是很大，但它能在電源內(nèi)部引起其他的問題。正向恢復(fù)期間，電感和變壓器沒有很大的負(fù)載阻抗，而功率開關(guān)或整流器仍處于關(guān)斷狀態(tài)，這使得儲(chǔ)存的能量產(chǎn)生振蕩，直至整流器最終開始流過正向電流并鉗位功率信號(hào)。

關(guān)斷瞬間，反向恢復(fù)特性起主要作用。當(dāng)反向電壓加在二極管兩端時(shí)，PN 二極管的反向恢復(fù)特性由結(jié)內(nèi)的載流子決定，這些遷移率受限的載流子需要從原來進(jìn)入結(jié)內(nèi)的反方向出去，從而構(gòu)成了流過二極管的反向電流。與此相關(guān)的損耗可能會(huì)很大，因?yàn)樵诮Y(jié)區(qū)電荷被耗盡前，反向電壓會(huì)迅速上升得很高，反向電流通過變壓器反射到一次側(cè)功率開關(guān)，增加了功率管的損耗。以圖 1 為例，可以看到開通期間的電流峰值。

類似的反向恢復(fù)特性也會(huì)出現(xiàn)在高電壓肖特基整流器中，這一特性不是由載流子引起的，而是由于這類肖特基二極管具有較高的結(jié)電容所致。所謂高電壓肖特基二極管就是它的反向擊穿電壓大于 60V。

03

與濾波電容有關(guān)的損耗

輸入輸出濾波電容并不是開關(guān)電源的主要損耗源，盡管它們對(duì)電源的工作壽命影響很大。如果輸入電容選擇不正確的話，會(huì)使得電源工作時(shí)達(dá)不到它實(shí)際應(yīng)有的高效率。

每個(gè)電容器都有與電容相串聯(lián)的小電阻和電感。等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)是由電容器的結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的寄生元件，它們都會(huì)阻礙外部信號(hào)加在內(nèi)部電容上。因此電容器在直流工作時(shí)性能最好，但在電源的開關(guān)頻率下性能會(huì)差很多。

輸入輸出電容是功率開關(guān)或輸出整流器產(chǎn)生的高頻電流的唯一來源(或儲(chǔ)存處)，所以通過觀察這些電流波形可以合理地確定流過這些電容 ESR 的電流。這個(gè)電流不可避免地在電容內(nèi)產(chǎn)生熱量。設(shè)計(jì)濾波電容的主要任務(wù)就是確保電容內(nèi)部發(fā)熱足夠低，以保證產(chǎn)品的壽命。式(4)給出了電容的 ESR 所產(chǎn)生的功率損耗的計(jì)算式。

不但電容模型中的電阻部分會(huì)引起問題，而且如果并聯(lián)的電容器引出線不對(duì)稱，引線電感會(huì)使電容內(nèi)部發(fā)熱不均衡，從而縮短溫度最高的電容的壽命。