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開(kāi)關(guān)頻率的提高受限于哪些因素

作者:ZLG致遠(yuǎn)電子 時(shí)間:2016-09-13 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏

  開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品日趨要求小型、輕量、高效率、低輻射、低成本等特點(diǎn),增大開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的功率密度,可以通過(guò)提高其工作頻率來(lái)實(shí)現(xiàn),但高頻化產(chǎn)品會(huì)產(chǎn)生一系列工程問(wèn)題,從而限制了的提升。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201609/296953.htm

  開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品在市場(chǎng)的應(yīng)用主導(dǎo)下,日趨要求小型、輕量、高效率、低輻射、低成本等特點(diǎn)滿(mǎn)足各種電子終端設(shè)備,為了滿(mǎn)足現(xiàn)在電子終端設(shè)備的便攜式,必須使開(kāi)關(guān)電源體積小、重量輕的特點(diǎn),因此,提高開(kāi)關(guān)電源的工作頻率,成為設(shè)計(jì)者越來(lái)越關(guān)注的問(wèn)題,然而制約開(kāi)關(guān)電源頻率提升的因素是什么呢?

  一、的提高,功率器件的損耗增大

  1、開(kāi)關(guān)管限制的因素有哪些?

  a、開(kāi)關(guān)速度

  MOS管的損耗由開(kāi)關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗組成,如圖1所示:開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)、上升時(shí)間tr、關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)、下降時(shí)間tf。

  

 

  圖1

  以FAIRCHILD公司的MOS為例,如表1所示:FDD8880開(kāi)關(guān)時(shí)間特性表。

  表1

  

 

  對(duì)于這個(gè)MOS管,它的極限開(kāi)關(guān)頻率為:fs= 1/(td(on)+ tr+ td(off)+ tf) Hz=1/(8ns+91ns+38ns+32ns) =5.9MHz,在實(shí)際設(shè)計(jì)中,由于控制開(kāi)關(guān)占空比實(shí)現(xiàn)調(diào)壓,所以開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與截止不可能瞬間完成,即開(kāi)關(guān)的實(shí)際極限開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)小于5.9MHz,所以開(kāi)關(guān)管本身的開(kāi)關(guān)速度限制了開(kāi)關(guān)頻率提高。

  b、開(kāi)關(guān)損耗

  開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)對(duì)應(yīng)的波形圖如圖2(A),開(kāi)關(guān)截止時(shí)對(duì)應(yīng)的波形圖如圖2(B),可以看到開(kāi)關(guān)管每次導(dǎo)通、截止時(shí)開(kāi)關(guān)管VDS電壓和流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流ID存在交疊的時(shí)間(圖中黃色陰影位置),從而造成損耗P1,那么在開(kāi)關(guān)頻率fs工作狀態(tài)下總損耗PS= P1 *fs,即開(kāi)關(guān)頻率提高時(shí),開(kāi)關(guān)導(dǎo)通與截止的次數(shù)越多,損耗也越大。

  

 

  圖2

  總結(jié):開(kāi)關(guān)速度、開(kāi)關(guān)損耗是限制開(kāi)關(guān)頻率的兩個(gè)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(chǎn)生,如圖3所示,給線圈加載高頻電流時(shí),在導(dǎo)體內(nèi)和導(dǎo)體外產(chǎn)生了變化的磁場(chǎng)垂直于電流方向(圖中1→2→3和4→5→6)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,變化的磁場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),此電動(dòng)勢(shì)在導(dǎo)體內(nèi)整個(gè)長(zhǎng)度方向(L面和N面)產(chǎn)生渦流(a→b→c→a和d→e→f→d),則主電流和渦流在導(dǎo)體表面加強(qiáng),電流趨于表面,那么,導(dǎo)線的有效交流截面積減少,導(dǎo)致導(dǎo)體交流電阻(渦流損耗系數(shù))增大,損耗加大。

  

 

  圖3

  如圖4所示,變壓器鐵損是和開(kāi)關(guān)頻率的kf次方成正比,又與磁性溫度的限制有關(guān),所以隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高,高頻電流在線圈中流通產(chǎn)生嚴(yán)重的高頻效應(yīng),從而降低了變壓器的轉(zhuǎn)換效率,導(dǎo)致變壓器溫升高,從而限制開(kāi)關(guān)頻率提高。

  

 

  圖4

  二、開(kāi)關(guān)頻率的提高,EMI設(shè)計(jì)、PCB布局難度增大

  假設(shè)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(wèn)題,因?yàn)樵诟哳l下,電感已經(jīng)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(shù)都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的寄生效應(yīng),嚴(yán)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(huì)造成一系列電壓電流波形振蕩和EMI問(wèn)題,同時(shí)對(duì)開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力也是一個(gè)考驗(yàn)。

  要提高開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的功率密度,首先考慮的是提高其開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)頻率引起的損耗,而導(dǎo)致溫升散熱設(shè)計(jì)難,頻率的提高也會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)、EMI等一系列工程問(wèn)題。



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