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開關頻率的提高受限于哪些因素

2016-09-13
來源:ZLG致遠電子

  開關電源產品日趨要求小型、輕量、高效率、低輻射、低成本等特點,增大開關電源產品的功率密度,可以通過提高其工作頻率來實現,但高頻化產品會產生一系列工程問題,從而限制了開關頻率的提升。

  開關電源產品在市場的應用主導下,日趨要求小型、輕量、高效率、低輻射、低成本等特點滿足各種電子終端設備,為了滿足現在電子終端設備的便攜式,必須使開關電源體積小、重量輕的特點,因此,提高開關電源的工作頻率,成為設計者越來越關注的問題,然而制約開關電源頻率提升的因素是什么呢?

  一、開關頻率的提高,功率器件的損耗增大

  1、開關管限制開關頻率的因素有哪些?

  a、開關速度

  MOS管的損耗由開關損耗和驅動損耗組成,如圖1所示:開通延遲時間td(on)、上升時間tr、關斷延遲時間td(off)、下降時間tf。

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  圖1

  以FAIRCHILD公司的MOS為例,如表1所示:FDD8880開關時間特性表。

  表1

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  對于這個MOS管,它的極限開關頻率為:fs= 1/(td(on)+ tr+ td(off)+ tf) Hz=1/(8ns+91ns+38ns+32ns) =5.9MHz,在實際設計中,由于控制開關占空比實現調壓,所以開關管的導通與截止不可能瞬間完成,即開關的實際極限開關頻率遠小于5.9MHz,所以開關管本身的開關速度限制了開關頻率提高。

  b、開關損耗

  開關導通時對應的波形圖如圖2(A),開關截止時對應的波形圖如圖2(B),可以看到開關管每次導通、截止時開關管VDS電壓和流過開關管的電流ID存在交疊的時間(圖中黃色陰影位置),從而造成損耗P1,那么在開關頻率fs工作狀態下總損耗PS= P1 *fs,即開關頻率提高時,開關導通與截止的次數越多,損耗也越大。

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  圖2

  總結:開關速度、開關損耗是限制開關頻率的兩個因素。

  1、變壓器的鐵損限制了頻率的提高

  變壓器的鐵損主要由變壓器渦流損耗產生,如圖3所示,給線圈加載高頻電流時,在導體內和導體外產生了變化的磁場垂直于電流方向(圖中1→2→3和4→5→6)。根據電磁感應定律,變化的磁場會在導體內部產生感應電動勢,此電動勢在導體內整個長度方向(L面和N面)產生渦流(a→b→c→a和d→e→f→d),則主電流和渦流在導體表面加強,電流趨于表面,那么,導線的有效交流截面積減少,導致導體交流電阻(渦流損耗系數)增大,損耗加大。

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  圖3

  如圖4所示,變壓器鐵損是和開關頻率的kf次方成正比,又與磁性溫度的限制有關,所以隨著開關頻率的提高,高頻電流在線圈中流通產生嚴重的高頻效應,從而降低了變壓器的轉換效率,導致變壓器溫升高,從而限制開關頻率提高。

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  圖4

  二、開關頻率的提高,EMI設計、PCB布局難度增大

  假設上述的功率器件損耗解決了,真正做到高頻還需要解決一系列工程問題,因為在高頻下,電感已經不是我們熟悉的電感,電容也不是我們已知的電容了,所有的寄生參數都會產生相應的寄生效應,嚴重影響電源的性能,如變壓器原副邊的寄生電容、變壓器漏感,PCB布線間的寄生電感和寄生電容,會造成一系列電壓電流波形振蕩和EMI問題,同時對開關管的電壓應力也是一個考驗。

  要提高開關電源產品的功率密度,首先考慮的是提高其開關頻率,能有效減小變壓器、濾波電感、電容的體積,但面臨的是由開關頻率引起的損耗,而導致溫升散熱設計難,頻率的提高也會導致驅動、EMI等一系列工程問題。


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