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关于电源效率提升的一点总结思考

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xsyjoy
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  • 2021-8-3 19:55:10
效率一直以来都是电源领域的研究重点,尤其在一些小体积高功率密度的电源系统中尤为重要。比如,适配器电源、模块电源、服务器用电源等。近年来,第三代GaN半导体的广泛应用,以及功率管开关频率的提高,使得电源的体积进一步缩小。要在有限的体积及温升范围内正常工作,这就对系统的效率提出了更高的要求。影响系统效率的主要损耗有功率管导通损耗、开关损耗、续流损耗、变压器铜损和磁损、二极管整流损耗、驱动、采样及控制电路损耗等。下面针对每一种损耗简单说下自己的理解和分析。
1)功率管导通损耗
功率管导通损耗与功率管的导通阻抗和流过功率管的电流有关。降低功率管的导通损耗,一方面可以选择导通电阻更小的功率器件,比如用GaN替代MOSFET。另一方方面,可以想方设法降低流过功率管的电流有效值。              
降低电流的有效值可以从控制和电路参数两方面入手。从控制上,可以通过降低电感电流的峰值或平均值入手降低有效值,比如目前流行的四开关Buck-Boost或ACF中,通过固定谷值电流值,调节峰值的方法实现系统稳定。从参数,可以通过调节电感值或者谐振电容值,降低电流有效值。比如,LLC谐振变换器中的双谐振电容。需要注意的是,增大电感值虽然可以降低电流纹波,但是可能需要更大的开关周期才能传输相同的功率,这无形中会增大磁性元件及系统的体积。

2)开关损耗及续流损耗
功率管的开关损耗分为开启损耗和关断损耗。当采用GaN功率管时,开启损耗往往大于关断损耗。降低功率管的开启损耗,目前常用的方法是采用准谐振拓扑或全软开关拓扑。功率管实现软开关的精髓在于导通之前存在体二极管的续流电流。虽然通过软开关可以降低开启损耗,但是需要注意的是死区时间的设置。死区太小,软开关可能无法完全实现;死区太大,体二极管续流损耗较大,得不偿失,。因此,目前控制芯片常常采用自适应死区的方式去控制死区时间的大小。在采用负压关断的GaN器件中,由于反向导通电压更大,需要更加注意这个问题。
对于功率管的关断损耗,可以采用一些能够实现ZCS关断的辅助电路。或者,通过降低功率管关断前的电流也能降低关断损耗。比如LLC中较大的励磁电感,可以实现较小的死区电流,这样关断损耗也更小。


3)变压器的铜损和磁损
变压器的铜损和功率管的导通损耗一样,都与流过的电流和阻抗有关。减小电流的方法类似。降低变压器的导通阻抗就是降低绕组的直流电阻和交流电阻。减小直流电阻,最直接的方式就是避免过长的绕组长度。在平面变压器中,如果一层双匝,还可以通过增大外匝减小内匝宽度的方法降低直流电阻。
交流电阻的大小与绕组的绕制方式有关。一般来说,顺序绕制方式要大于交错型的绕制方式。因此,多采用三明治结构的绕组,可以有效的降低交流电阻。
变压器的磁损是感应电流在磁芯上产生的损耗,包括涡流损耗和磁滞损耗。涡流损耗取决于铁磁材料的电导率,与激磁电流工作频率的平方成正比,与磁通密度大小的平方成正比。磁滞损耗就是磁滞回线包围的面积,与激磁电流的工作频率成正比,也与磁通密度大小的平方成正比。因此,降低磁损可以通过降低频率和磁通密度来实现。但是降低频率增大磁芯体积,降低磁通密度需要增大匝数,在实际使用中需要折中处理。


4)二极管整流损耗
二极管整流与流过二极管的电流和两端电压有关。在电路参数确定的情况下,电流较难改变。因此,可以通过正向压降较小的二极管降低整流损耗。目前,由于具有更小的导通阻抗和导通压降,常用功率管代替二极管实现整流功能。通过控制功率管的开通和关断,实现和二极管相同的功能。比如图腾柱PFC,同步整流控制等。在图腾柱PFC等整流电路中,主要考虑的损耗开关损耗及死区损耗是否能够有效降低。在同步整流控制中,目前常采用的方案是通过检测Vds电压实现功率管的开通关断。难点在于如何降低开通之前和关断之后体二极管续流时间,以及高频下寄生电感带来的关断点提前的问题。目前论文中常见的自适应方式往往需要复杂的电路及控制算法才能实现。


5)驱动、采样及控制电路损耗
驱动损耗与功率管的驱动电阻、电荷Qg及开关频率有关。降低驱动损耗可以通过选择较小Qg的功率管,比如GaN器件。或者,通过降低开关频率实现。在实际设计过程中,尽可能的选择高度集成的控制器,可以有效的降低该部分损耗。

损耗的降低及效率的提高,主要是为了能够使系统的热量能够在有限的体积中释放出去,有关电源系统功率密度的提升将在一次分享。

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  • 2021-8-3 19:57:03
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该部分内容比较粗糙,仅为自己的一点总结思考。

若有错误,欢迎交流指正,谢谢。
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