哪些因素限制了電源開關頻率的提高?

2021-01-20 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可攜式，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麼呢？


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？



MOS管的損耗由開關損耗和驅動損耗組成，如下圖所示：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。

 


以FAIRCHILD公司的MOS為例，如下表所示：FDD8880開關時間特性表。



 

對於這個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，由於控制開關佔空比實現調壓，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於5.9MHz，所以開關管本身的開關速度限制了開關頻率提高。



開關導通時對應的波形圖如下圖(A)，開關截止時對應的波形圖如下圖(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，那麼在開關頻率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。 

 



總結：開關速度、開關損耗是限制開關頻率的兩個因素。


2、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，如下圖所示，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於電流方向(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，電流趨於表面，那麼，導線的有效交流截面積減少，導致導體交流電阻(渦流損耗係數)增大，損耗加大。



如下圖所示，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。




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。


總結：


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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