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高频开关电源的开关频率可以无限制提升吗?与功率密度的关系如何?我们用实验数据回答您

引言
估量许多新手工程师在规划高频开关电源核算变压器时发现,把高频开关电源的开关频率前进后变压器磁芯愈加不容易饱满,或许说能够用更小的磁性做出相同功率的高频开关电源,甚至在想把开关频率无约束前进来无约束缩小变压器的体积。
但实践上一般高频开关电源的频率都不会特别高,也不行能使频率无限前进,其间到底有哪些原因?请看下文!
器材约束、损耗、EMI、PCB布局难度进步等问题都是制约开关频率无限进步的要素,下面略微展开来讲一下!
1、器材的约束
关于一个开关管来说,在实践运用中,不是给个驱动就开,驱动撤掉就关了。它有注册延迟时刻(tdon),上升时刻(tr),关断延迟时刻(tdoff),下降时刻tf,对应的波形如下:
高频开关电源的开关频率可以无限制提升吗?与功率密度的关系如何?

浅显的讲,开关管注册关断不是瞬间完结的,需求必定的时刻,开关管自身的开关时刻就约束了开关频率的进步。
曾经笔者在delta用在3kW的逆变器上的一款600V的coolmos为例。看看这些详细的开关时刻是多少

那么关于这个mos管来说,它的极限开关频率(在这种极限情况下,mos管刚注册就关断)fs=1/(16+12+83+5)ns=8.6MHz,当然,在实践运用中,由于要调理占空比,不行能让开关管一注册就关断,所以实践的极限频率是远低于8.6MHz的,所以器材自身的开关速度是约束开关频率的一个要素。
2、开关损耗
当然,跟着器材的前进,开关管开关的速度越来越快,尤其是在低压小功率场合,如果仅考虑器材自身的开关速度,开关频率能够run得十分高,但实践并没有,约束就在开关损耗上面。
下面给出开关管实践注册的时分对应的波形图
能够看到,开关管每注册一次,开关管DS的电压(Vds)和流过开关管的电流(Id)会存在交叠时刻,然后形成注册损耗,关断亦然。假定每次开关管每开关一次发生的能量损耗是必定的,记为Esw,那么开关管的开关损耗功率就为Psw=Esw*fs,明显,开关频率越高,开关损耗越大。5M开关频率下开关损耗比500K要大10倍,这关于注重功率的高频开关电源来说,明显是不行承受的。所以,开关损耗是约束开关频率的第二要素。
开关损耗的确是约束要素之一,可是氮化镓器材的推出现已让开关损耗在1-3Mhz这个规模内变得能够承受,我下面附一张图片,这是三家公司推出的650V的GaN device,能够看出最好的管子注册损耗现已4uJ,关断损耗在8uJ(测验条件在400V, 12A),甚至有家公司的650V的管子根本能够和Transphorm平齐。而同电压电流等级的硅器材许多管子都还在以mJ为单位。
下面在贴出一张低压氮化镓和硅器材的比较,能够看出,整体来说,驱动损耗也会变得很小。
还有一点很重要,宽禁带半导体的作业结温很高,以现在的工艺来说,Sic的结温能够作业到200°,氮化镓能够作业到150°。而硅器材呢,我觉得最多100°就不得了。结温高,意味着相同损耗下,需求给宽禁带半导体规划的散热器外表积要小许多,况且宽禁带半导体的损耗自身还小。
是开关频率的前进,往往只能运用QFN或许其他一些表贴器材削减封装寄生参数,这给散热体系带来了极大的挑战,本来To封装能够加散热器,削减到空气对流的热阻,而现在不行了。所以如果想在高频下作业,榜首问题就是处理散热,把高开关损耗导出去,尤其是在kW级别,散热体系十分重要。现在学界处理这个问题的手段倾向于把器材做成独立封装,选用一种叫DCB的技能,用陶瓷基板散热,器材从陶瓷上外表到下外表的热阻根本为0.4°C/W(有些人也用metal core PCB, 可是要加绝缘层,热阻一般在4°C/W),而FR4为20°C/W。
半导体不断在开展,开关损耗也在明显下降,而封装越来越小,现在来看,我们要做的是怎样把那些热量从那么小的表贴封装下散出去。
3、磁元件损耗
绕组的趋肤效应和接近效应。在变压器的高频作业时,影响愈加严峻。会引起较大的绕组涡流耗费,当然开关频率前进,绕组的匝数会下降。相应的绕组沟通阻抗变大了,可是绕线长度削减了。问题形似也不会很大,谐振半桥运用,我们常常会选200KHZ的频率。这样磁性元件的体积和耗费,是一个比较适宜的规模。
高频开关电源的开关频率可以无限制提升吗?与功率密度的关系如何?

变压器的铁损主要由变压器涡流损耗发生,如下图所示,给线圈加载高频电流时,在导体内和导体外发生了改变的磁场垂直于电流方向(图中1→2→3和4→5→6)。依据电磁感应规律,改变的磁场会在导体内部发生感应电动势,此电动势在导体内整个长度方向(L面和N面)发生涡流(a→b→c→a和d→e→f→d),则主电流和涡流在导体外表加强,电流趋于外表,那么,导线的有用沟通截面积削减,导致导体沟通电阻(涡流损耗系数)增大,损耗加大。

如下图所示,变压器铁损是和开关频率的kf次方成正比,又与磁性温度的约束有关,所以跟着开关频率的前进,高频电流在线圈中流通发生严峻的高频效应,然后下降了变压器的变换功率,导致变压器温升高,然后约束开关频率前进。

4、软开关的困难
题主提到了软开关,没错,软开关的确是处理开关损耗的有力手段。而在各种研讨软开关的paper上,提出了无数种让人目不暇接的软开关计划,似乎软开关能处理一切问题。可是实践工程运用和理论剖析不同,实践工程寻求的是低成本,高功率,高可靠性,那些需求添加一堆辅佐电路,或许要十分准确操控的软开关计划在实践工程中其实都是不太被看好的,所以即便到现在,在工业界最常运用软开关的拓扑也只需移相全桥和一些谐振的拓扑(比方LLC),至于题主提到的flyback,没错,我也听说过有准谐振的flyback(但没研讨过),但即便有相似的计划,关于能不能真实工程运用,题主也需求从我上面提到的几个问题去考量一下。
ps,关于小功率高频高频开关电源,现在class E十分火,我觉得它火的原因就是电路简单,所以才干被工业界承受,题主有爱好能够去研讨下。
5、高频化带来的一系列问题
假定上面的一系列问题都处理了,真实做到高频化还需求处理一系列工程上的问题,比方在高频下,电路的寄生参数往往会严峻影响高频开关电源的功能(如变压器原副边的寄生电容,变压器的漏感,PCB布线之间的寄生电感和寄生电容等等),形成一系列电压电流波形震动和EMI的问题,怎么消除寄生参数的影响,甚至进一步地,怎么利用寄生参数为电路效劳,都是有待研讨的问题。
ps,关于高频化运用的实践工程运用的问题,还有很重要的一块是高频驱动电路的规划。
当然,跟着新器材(SiC, GaN)的鼓起,高频开关电源高频化的研讨方兴未已,高频开关电源的高频化必定是趋势,并且有望给电力电子带来又一次革新。让我们拭目而待。
6、EMI和搅扰,PCB布局难度增大
在我触摸EMI前,许多老工程师以他们有丰厚的EMI调试经历来轻视我们这些菜鸟,搞的我一向以为EMI是门形而上学,也有许多人动不动就拿EMI出来吓人。我想说EMI的确很难了解,很难有准确的纸面规划,可是经过研讨我们还是能知道大约趋势指导规划,而不是一些工程嘴里完全赖trial and error的流程。我先给出定论,EMI的确和开关频率不成线性关系,某些开关频率下,EMI滤波器的转机频率较高,可是整体趋势而言,是开关频率越高,EMI体积越小!
我知道许多人可能开始喷我了,怎样可能,di/dt和dv/dt都大了,怎样可能EMI滤波体积还小了。我想说一句,共模和差模滤波器的没有差异,相同的截止频率下,高频的衰减更大!就算你高频下共模噪声越大,可是你的记住,这个频率下LC滤波器的衰减更大,想想幅频曲线吧。为了阐明这个定论,我给出一些定量剖析成果。这些EMI剖析均根据AC/DC三相整流,拓扑为维也纳整流。我别离给出了1Mhz和500Khz的共模噪声,能够看出,500khz共模滤波器需求的截止频率为19.2kHz,1MHz为31.2kHz。
高频开关电源的开关频率可以无限制提升吗?与功率密度的关系如何?

这张图给出了不同频率下共模和差模滤波器转机频率的关系,能够看出,一些低频点EMI滤波器表现出了十分好的特性。例如70Khz,140Khz。而这两个开关频率是工业界常用的两个开关频率,十分讨巧,由于EMI噪声测验是150KHz到30MHz。不过这个也与拓扑有关。
假定上述的功率器材损耗处理了,真实做到高频还需求处理一系列工程问题,由于在高频下,电感现已不是我们了解的电感,电容也不是我们已知的电容了,一切的寄生参数都会发生相应的寄生效应,严峻影响高频开关电源的功能,如变压器原副边的寄生电容、变压器漏感,PCB布线间的寄生电感和寄生电容,会形成一系列电压电流波形振动和EMI问题,同时对开关管的电压应力也是一个检测。
7、小结
不是开关频率越高,功率密度就越高,现在这个阶段来说真实阻止功率密度前进的是散热体系和电磁规划(包含EMI滤波器和变压器)和功率集成技能。
稳重选择开关频率,开关频率会极大的影响整个改变器的功率密度,并且针对不同器材,拓扑,最佳的开关频率是改变的。
高频的确发生许多很难处理的搅扰问题,往往要找到搅扰回路,然后采纳一些办法。
为了持续保持电力电子变换器功率密度的添加趋势,高频肯定是趋势。仅仅针对高频规划的电力电子技能很不老练,相关配套芯片没有到达要求,一些高频的电磁规划理论不完善和准确,运用有限元软件剖析将大大添加开发周期。
要前进高频开关电源产品的功率密度,首要考虑的是前进其开关频率,能有用减小变压器、滤波电感、电容的体积,但面对的是由开关频率引起的损耗,而导致温升散热规划难,频率的前进也会导致驱动、EMI等一系列工程问题。

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