如何降低晶體管和變壓器損耗提高開關(guān)電源效率

一、開關(guān)電源的損耗

開關(guān)電源的損耗主要來自三個(gè)元件：開關(guān)晶體管、變壓器和整流二極管。

1、開關(guān)晶體管損耗

主要分為開通/關(guān)斷損耗兩個(gè)方面。開關(guān)晶體管的損耗主要與開關(guān)管的開關(guān)次數(shù)有關(guān)，還與工作頻率和負(fù)載特性有關(guān)。如果開關(guān)時(shí)間增加一倍，開關(guān)管的損耗將增加約2～3倍，而開關(guān)管的損耗與開關(guān)電源的工作頻率成正比。

2、開關(guān)變壓器的損耗

主要包括磁滯損耗、渦流損耗和銅損。開關(guān)變壓器的渦流損耗和變壓器線圈的銅損與工作頻率的平方成正比，而磁滯損耗除與工作頻率外還與磁通密度的1.6次方成正比。

3、整流二極管的損耗

主要由兩部分組成：正向?qū)〒p耗和反向恢復(fù)損耗。整流二極管的正向損耗與整流二極管的正向壓降有關(guān)，而反向恢復(fù)損耗與二極管的反向恢復(fù)時(shí)間有關(guān)。

以上三種損耗占開關(guān)電源總損耗的20%以上。如何降低開關(guān)晶體管和變壓器的損耗，提高效率，是每個(gè)工程師在設(shè)計(jì)的時(shí)候都會(huì)考慮到的問題。

二、開關(guān)晶體管損耗

開關(guān)晶體管的損耗主要包括開通損耗和關(guān)斷損耗。

開關(guān)晶體管電路

1、開關(guān)晶體管的等效電路

開關(guān)晶體管的等效電路

三極管（或MOSFET）的輸入可以等效為一個(gè)電容并聯(lián)一個(gè)電阻，其輸入電壓為：

輸入電壓公式

三極管（或MOSFET）導(dǎo)通時(shí)，輸出端可以等效為一個(gè)電感并聯(lián)一個(gè)電阻；三極管截止時(shí)，可以等效為一個(gè)電容與一個(gè)電阻并聯(lián)；其輸出電壓為：

輸出電壓公式

集電極電流為：

集電極電流公式

2、開關(guān)晶體管開通/關(guān)斷過程——純阻性負(fù)載

純阻性開關(guān)電路

【

三極管開關(guān)特性參數(shù)：

】

(1) 延遲時(shí)間td

當(dāng)輸入信號(hào) Vin 變?yōu)檎龝r(shí)，集電極電流Ic上升到其最大值 Icm 的 10%所需的時(shí)間。

(2) 上升時(shí)間tr

集電極電流Ic從其最大值 Icm 的 10% 上升到 90%所花費(fèi)的時(shí)間。

(3) 存放時(shí)間ts

當(dāng)輸入信號(hào) V in變?yōu)樨?fù)時(shí)，峰值集電極電流 I cm降至其值的 90%所需的時(shí)間。

(4) 下降時(shí)間tf

集電極電流Ic從其最大值 Icm 的 90% 下降到 10%所花費(fèi)的時(shí)間。

純阻性負(fù)載的開關(guān)損耗

3、開關(guān)晶體管導(dǎo)通/關(guān)斷過程-反激式輸出電源

反激式開關(guān)電源

采用反激式開關(guān)電源，流過開關(guān)管的電流是鋸齒波。起初開關(guān)管導(dǎo)通，流過變壓器初級(jí)線圈的電流很小，但在變壓器關(guān)斷前電流變得很大。因此晶體管在導(dǎo)通時(shí)間（td和tr）的損耗很小，而在關(guān)斷時(shí)間（ts和tf）的損耗很大，相差幾十倍。

反激式開關(guān)模式電源的開關(guān)損耗

4、開關(guān)晶體管導(dǎo)通/關(guān)斷過程-正向輸出電源

正向開關(guān)電源

對(duì)于正向開關(guān)電源，流過開關(guān)管的電流是梯形波形。起初開關(guān)管導(dǎo)通，流過變壓器初級(jí)線圈的電流比較大。它在晶體管關(guān)閉之前變大。因此，開關(guān)管在導(dǎo)通初期（td和tr）和關(guān)斷期間（ts和tf）的損耗均大于反激式開關(guān)電源。

降低開關(guān)損耗的一種方法是盡可能縮短晶體管的導(dǎo)通/關(guān)斷時(shí)間，尤其是關(guān)斷時(shí)間，另一種方法是降低工作頻率。

正激式開關(guān)電源的開關(guān)損耗

5、開關(guān)時(shí)間對(duì)開關(guān)損耗的影響

增加開啟/關(guān)閉時(shí)間會(huì)同時(shí)增加開關(guān)損耗

純阻性負(fù)載的開關(guān)損耗與開關(guān)管的四次開關(guān)次數(shù)成正比。因此增加晶體管的導(dǎo)通/關(guān)斷時(shí)間會(huì)同時(shí)降低開關(guān)電路的電壓和電流上升率。也有利于降低開關(guān)電源的輻射干擾，但會(huì)增加晶體管的開關(guān)損耗。

在感性負(fù)載中，正激式和反激式開關(guān)電源的開關(guān)損耗不同。

開關(guān)電路各點(diǎn)的波形和損耗

三、開關(guān)電源變壓器損耗

1、單極開關(guān)電源變壓器磁芯的磁滯回線

單極開關(guān)電源變壓器磁芯的磁滯回線

上圖為單極開關(guān)電源正常工作時(shí)變壓器鐵心的磁化曲線（磁滯回線）。當(dāng)勵(lì)磁電流對(duì)鐵芯進(jìn)行磁化時(shí)，磁通密度沿磁化曲線abc變化。在這種情況下，磁通密度隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加。退磁時(shí)，磁通密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度沿磁化曲線cda變化。在這種情況下，磁通密度隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度而降低。

一方面，當(dāng)脈沖寬度一定時(shí)，勵(lì)磁電流和退磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小相等方向相反，因此磁滯環(huán)的兩端（a和c）為基本穩(wěn)定。另一方面，磁滯回線的兩端會(huì)隨著脈沖寬度的變化而變化。

2、變壓器鐵芯的選擇

各種變壓器鐵芯的工作頻率范圍

關(guān)于變壓器鐵芯的選擇，我們主要考慮體積、工作效率、可靠性、成本等方面，其中必然涉及到變壓器鐵芯的諸多參數(shù)，如：最大磁通密度Bm（或磁飽和磁通密度Bs )、最大磁導(dǎo)率μm、有效磁導(dǎo)率μe、矯頑力Hm和渦流損耗等。這些參數(shù)基本上與工作頻率有關(guān)，尤其是渦流損耗Pe和磁滯損失 Ph。

來源：李工談元器件