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1、一、开关电源损耗分析与 减小的方法（一）导通损耗分析1.1 常规技术下变换器的损耗主要是 开关管和输出整流器的损耗l1. 开关管的导通损耗；l2. 开关管的开关损耗。MOS作为开关管时的导通损耗l其中的电压和电流均为有效值。矩形波电流时占空比的关系降低开关管的导通电压可以有效地 降低导通损耗l1. 对于MOSFET而言，降低导通电阻可以 有效降低导通损耗。例如将IRF840换成IRF740可以将导通 电阻从0.8降低到0.55，导导通损损耗可以 降低40%以上； 如果采用CoolMOS的SPP07N06C3 （RDS（ON）=0.6）替代IRFBC40（RDS（ON） =1.2）导导通损损耗可
2、以降低一半。尽可能增加占空比可以降低导通损耗l在开关管额定电流相同的条件下。占空比 为0.5的导通损耗是占空比0.4的导通损耗的 80%、是占空比0.4的导通损耗的60%。l这种损耗的减少是在不增加成本和电路复 杂性条件下通过改变工作状态轻而易举得 到的。常规技术下开关管的导通损耗比例lMOSFET作为开关管时，导通损耗一般占 开关管总损耗的2/3；lIGBT作为开关管时，导通损耗一般占开关 管总损耗的1/3。1.2 降低导通损耗的方法l选择合适的工作模式，尽可能的提高开关管的导 通占空比；l选择导通电阻相对低的MOSFET；l降额使用，例如将可以输出250W的TOP250用于 输出50W的方
3、案中，可以使电源效率达到87%；l选择产品出厂时间比较晚的器件性能会比出厂时 间比较早的器件导通电阻小；l选择导通电压降低的器件作为开关管，例如用 IRF740替代IRF840就是一个很好的方法，采用 CoolMOS替代常规MOS是几好的方法。1.3.输出整流器的损耗l输出整流器的损耗主要是导通损耗。l在低电压输出时（如5V或3.3V），即使采 用肖特基二极管（导通电压降约0.5V）作 为输出整流器，其导通损耗也会使这一部 分的效率不足10%！（90%）这样整机的 效率很可能就不会超过80%。需要注意肖特基二极管的漏电流l尽管肖特基二极管的导通电压降比较低， 但是肖特基二极管的漏电流比较大，应
4、用 不当时会出现高温状态下的漏电流产生的 损耗会比由于低导通电压所减少的损耗还 大。 l这就是有时应用肖特基二极管时效率并不 是很高的原因之一。 l选择肖特基二极管要选用漏电流低的型号 。1.4 同步整流器可以使输出整流器导 通损耗的降低l为了降低输出整流器的导通损耗，可以采 用MOSFET构成同步整流器，如果一个导 通电阻为10m的MOSFET流过过20A电电流 ，其导导通电压电压 降仅仅仅仅 0.2V！明显显低于肖特 基二极管的在这这个电电流下的导导通电压电压 ，如 果流过过10A电电流，则导则导 通电压电压 会更低。l这这就是现现在的高效率开关电电源的输输出整流 器采用同步整流器的最主要
5、的原因。（二）开关管的开关损耗分析l在常规技术下，开关损耗随开关频率的升 高而上升，因此轻载时（如30%负载）开 关电源的效率会明显降低。2.1 开关管开关损耗产生的原因l开关管开关过程是在开关电感性负载，其 特点是开通过程需要电流首先上升到“电源 电流”，然后才是电压的下降； l关断过程则是电压上升到“电源电压”，然 后才是电流的下降。 l这些过程中，有电压电流同时存在的现象 。 l其电流、电压的乘积非常高，因而产生开 关损耗。开关管的开关过程对开关损耗的影响l开关管的开关过程中，电流、电压同时存 在，这个过程越长开关损耗越大。l1、在开关管的开关过程中让电流、电压相 对的相位发生变化可以降
6、低开关损耗；l2、在开关管的开关过程中电流、电压值存 在一个，而另一个为零，可以消除开关损 耗；l3、缩短开关过程可以减小开关损耗开关过程对开关损耗的影响（1） 驱动能力对开关损耗产生的影（1）l开关管的驱动 l驱动MOSFET实际上是对MOSFET的栅极 电容的充放电过程。 l例如在100ns时间内驱动一个100nC栅极电 荷的MOSFET由关断到导通或由导通到关 断需要1A驱动电流，如果是200mA则驱动 时间就会变为500ns。对应的开关损耗将会 增加到1A驱动电流的5倍。 l因此，驱动电流对于快速开关MOSFET非 常重要。开关过程对开关损耗的影响（2） 栅极电荷对开关损耗产生的影响（
7、1）l其中对MOSFET开关过程影响最大的是米 勒电荷，即栅-漏极电荷。l例如栅极电荷为140nC的IRFP450（ 14A/500V）的栅-漏极电荷为80nC。l而fairchild的FQAF16N50 （16A/500V， 全塑封装为11.5A）的栅-漏极电荷为28nC ；lST的STE14NK50Z的栅-漏极电荷为31nC栅极电荷对开关损耗产生的影响（2）l在相同的驱动条件下，IRFP450的开关时间 大约为FQAF16N50的2.86倍；l是STE14NK50Z的2.58倍。l对应的ORFP450的开关损耗也将是 FQAF16N50的2.86倍， STE14NK50Z的 2.58倍。二
8、极管反向恢复过程产生对开关管 开关损耗产生的影响（3）二极管的反向恢复电流对开关过程 的影响结温升高导致反向恢复峰值电流的 增加IRM值有多大？l一般的FERD在100A/s和150结结温条件 下要比其正向额额定电电流还还大。l为为了降低600V耐压压的FERD反向峰值电值电 流 ，甚至还还采用了两只300V耐压压的FERD， 特别别是在功率因数校正应应用中。而近几年新出的FERD则仅为则仅为 其额额 定电电流的三分之二或更低。lDPG30C200HB l VRRM, (V) 200 lIFAVM, d = 0.5, Total, (A) 30 lIFAVM, d = 0.5, Per Dio
9、de, (A) 15 l TC, (C) 140 lIFRMS, (A) - IFSM, 10 ms, TVJ=45C, (A) 150 l VF, max, TVJ =150C, (V) 1.00 l IF, (A) 15 ltrr, typ, TVJ =25C, (ns) 35 lIRM , typ, TVJ =100C, (A) 3 l -di/dt, (A/s) 200 lTVJM, (C) 175 lRthJC, max, (C/W) 1.70 特别是IXYS的HiPerDYN FRED 可以降低到不足额定电流的10%。lDPH30IS600HI lVRRM：(V) 600 lIFA
10、VM, (d = 0.5, Total) ：30 A lIFAVM , (d = 0.5, Per Diode) ： 30 A l TC ：140 lVFmax, IF=IFAVM ：1.89V lTVJM, ( ) 150 l trr typ, TVJ =25,：30ns l IRM , typ, TVJ =100：2.0A l -di/dt：200 A/s lTVJM, ：125 l RthJC, max, ：0.55 /W 碳化硅二极管的反向恢复时间与峰值电流更低l通过采用性能优异的FERD或碳化硅二极管 可以有效地降低由于二极管的反向恢复造 成的损耗，提高开关频率，减小变换器的 体积。
11、（三）其它元件损耗分析线路寄生电感产生的开关损耗l线路的寄生电感在每一次开关过程都要将 其储能完全释放到开关管，变为热能，这 是造成开关损耗的主要原因之一。l寄生电感存在于：直流母线、变压器漏感 。1. 输入整流器的损耗分析l输入整流器是市电输入的开关电源中必须 有的环节，尽管这一环节的效率非常高， 但是在带有功率因数校正的开关电源中， 如果能省去两只输入整流二极管，效率会 提高1%，整机效率比较容易在85V输入电 压时满足效率不低于90%的要求。l其二，从工作状态看，整流电路的导通角 越接近180效率越高。2. 输出整流器损耗分析l在一般情况下，输出整流器的损耗主要是 导通损耗；l如果输出整
12、流器选用肖特基二极管，则在 高结温状态下肖特基二极管的漏电流所产 生的损耗将不可忽视。二极管的导通损耗对比较高的输出 电压电路的效率影响比较小l在比较高的输出电压条件下，输出整流二 极管的导通电压产生的损耗对整机效率的 影响比较小，一般的整流电路和超快速二 极管就可以获得很高的效率。低电压输出时整流二极管的损耗不 可忽视（1）l低电压输出时整流二极管的电压降将不可 忽略。l例如输出电压为24V或低于24V时，如果采 用桥式整流电路结构和超快速二极管所产 生的电压降将超过2.4V，这时由于整流器 的导通损耗就使得输出整流电路本身的效 率不会超过90%。采用全波整流电路可以 使整流电路的损耗降低到
13、原来的一半。l因此，全波整流电路是低压整流电路的首 选电路结构。低电压输出时整流二极管的损耗不 可忽视（2）l输出电压为12V或低于12V时，即使采用全 波整流电路，而采用超快速二极管也不会 使得输出整流电路本身的效率超过90%； l输出电压为5V时，采用全波整流电路和超 快速二极管将使得输出整流电路本身的效 率不会超过80%；l即使采用肖特基二极管，整流电路本身的 效率不会超过90%； l输出电压为3.3V或更低时，即使采用肖特 基二极管，效率也不会急人满意，除非迫 不得已而为之。肖特基二极管在高温状态下的漏电 流损耗不可忽视l肖特基二极管在高结温状态下漏电流会很大，如 最常见的MBR304
14、5的高结温和额定反向电压下的 漏电流将达到100mA，在40V的反向电压下的漏 电流损耗将达到4W。对于15A/0.5V的导通电压 和电流与15A/1.2V的10.5W实际仅减小6.5W甚至 更低。仅为想象中的效率提高程度的70%。l而在降额一般使用时，肖特基二极管减小的导通 损耗与增加的漏电流损耗将相近！这时应用肖特 基二极管将没有意义。l如果将漏电流减小到1/3甚至更低，则漏电流的损 耗就可能在众多损耗中忽略。同步整流器可以提高输出整流器的效率l在低压整流输出时，仅仅采用肖特基二极 管的电源效率不会很高，对于5V输出一般 为79%或低于70%，3.3V输出的电源效率 会更低！ l由于肖特基
15、二极管是所有二极管中导通电 压最低，如果肖特基二极管的导通电压不 能满意将找不到合适的二极管。 l选用MOSFET可以使得整流器的导通电压 降低于0.5V，甚至可以低于0.1V！3. 变压器与电感损耗分析l开关管、二极管的损耗有效降低后，磁性 元件的损耗将是进一步提高开关电源效率 的突破点变压器漏感储能的处理与效率l变压器的漏感储能在每一次开关过程中完 全释放；l这个储能不能耦合到输出，只能在变压器 的初级侧进行交换；l在常规技术中，单管正激、反激式开关电 源对于变压器的漏感是通过变压器初级侧 的箝位电路吸收实现开关过程中的漏感电 压箝位。变压器漏感储能的处理与效率（1）l如果箝位电路仅仅是R
16、CD电路，则漏感的 储能将被完全转化为热能消耗掉，使得电 源的效率降低。 l为了使这一部分能量不转化为热量，需要 将箝位电路改为有源箝位或准谐振电路结 构和相应的工作模式。 l或者将单管电路结构变为双管箝位电路结 构，这样就可以使变压器漏感中的储能在 开关管关断过程回馈的直流母线。变压器激磁电感储能的处理与效率（ 2） l变压器的磁路中的磁场由激磁电感建立， 在开关过程中，单管正激电路结构将其储 能释放到箝位电路中，折算为功率就是 f LIM2/2。l如果箝位电路采用RCD，则这部分的能量 将完全被转化为热能，使得开关电源的效 率降低。l可以采用绕组前卫或有源箝位电路将这部 分能量回馈到直流母线或前卫电容器中作 为磁通复位时反向激磁的能量。变压器激磁电感储能的处理与效率（ 3）l如果电路采用桥式
