影響電源效率提升的主要損耗

效率一直以來都是電源領(lǐng)域的研究重點，尤其在一些小體積高功率密度的電源系統(tǒng)中尤為重要。比如，適配器電源、模塊電源、服務(wù)器用電源等。近年來，第三代GaN半導(dǎo)體的廣泛應(yīng)用，以及功率管開關(guān)頻率的提高，使得電源的體積進一步縮小。要在有限的體積及溫升范圍內(nèi)正常工作，這就對系統(tǒng)的效率提出了更高的要求。影響系統(tǒng)效率的主要損耗有功率管導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗、續(xù)流損耗、變壓器銅損和磁損、二極管整流損耗、驅(qū)動、采樣及控制電路損耗等。下面針對每一種損耗簡單說下自己的理解和分析。

1）功率管導(dǎo)通損耗

功率管導(dǎo)通損耗與功率管的導(dǎo)通阻抗和流過功率管的電流有關(guān)。降低功率管的導(dǎo)通損耗，一方面可以選擇導(dǎo)通電阻更小的功率器件，比如用GaN替代MOSFET。另一方方面，可以想方設(shè)法降低流過功率管的電流有效值。

降低電流的有效值可以從控制和電路參數(shù)兩方面入手。從控制上，可以通過降低電感電流的峰值或平均值入手降低有效值，比如目前流行的四開關(guān)Buck-Boost或ACF中，通過固定谷值電流值，調(diào)節(jié)峰值的方法實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定。從參數(shù)，可以通過調(diào)節(jié)電感值或者諧振電容值，降低電流有效值。比如，LLC諧振變換器中的雙諧振電容。需要注意的是，增大電感值雖然可以降低電流紋波，但是可能需要更大的開關(guān)周期才能傳輸相同的功率，這無形中會增大磁性元件及系統(tǒng)的體積。

2）開關(guān)損耗及續(xù)流損耗

功率管的開關(guān)損耗分為開啟損耗和關(guān)斷損耗。當(dāng)采用GaN功率管時，開啟損耗往往大于關(guān)斷損耗。降低功率管的開啟損耗，目前常用的方法是采用準諧振拓撲或全軟開關(guān)拓撲。功率管實現(xiàn)軟開關(guān)的精髓在于導(dǎo)通之前存在體二極管的續(xù)流電流。雖然通過軟開關(guān)可以降低開啟損耗，但是需要注意的是死區(qū)時間的設(shè)置。死區(qū)太小，軟開關(guān)可能無法完全實現(xiàn)；死區(qū)太大，體二極管續(xù)流損耗較大，得不償失，。因此，目前控制芯片常常采用自適應(yīng)死區(qū)的方式去控制死區(qū)時間的大小。在采用負壓關(guān)斷的GaN器件中，由于反向?qū)妷焊螅枰幼⒁膺@個問題。

對于功率管的關(guān)斷損耗，可以采用一些能夠?qū)崿F(xiàn)ZCS關(guān)斷的輔助電路。或者，通過降低功率管關(guān)斷前的電流也能降低關(guān)斷損耗。比如LLC中較大的勵磁電感，可以實現(xiàn)較小的死區(qū)電流，這樣關(guān)斷損耗也更小。

3）變壓器的銅損和磁損

變壓器的銅損和功率管的導(dǎo)通損耗一樣，都與流過的電流和阻抗有關(guān)。減小電流的方法類似。降低變壓器的導(dǎo)通阻抗就是降低繞組的直流電阻和交流電阻。減小直流電阻，最直接的方式就是避免過長的繞組長度。在平面變壓器中，如果一層雙匝，還可以通過增大外匝減小內(nèi)匝寬度的方法降低直流電阻。

交流電阻的大小與繞組的繞制方式有關(guān)。一般來說，順序繞制方式要大于交錯型的繞制方式。因此，多采用三明治結(jié)構(gòu)的繞組，可以有效的降低交流電阻。

變壓器的磁損是感應(yīng)電流在磁芯上產(chǎn)生的損耗，包括渦流損耗和磁滯損耗。渦流損耗取決于鐵磁材料的電導(dǎo)率，與激磁電流工作頻率的平方成正比，與磁通密度大小的平方成正比。磁滯損耗就是磁滯回線包圍的面積，與激磁電流的工作頻率成正比，也與磁通密度大小的平方成正比。因此，降低磁損可以通過降低頻率和磁通密度來實現(xiàn)。但是降低頻率增大磁芯體積，降低磁通密度需要增大匝數(shù)，在實際使用中需要折中處理。

4）二極管整流損耗

二極管整流與流過二極管的電流和兩端電壓有關(guān)。在電路參數(shù)確定的情況下，電流較難改變。因此，可以通過正向壓降較小的二極管降低整流損耗。目前，由于具有更小的導(dǎo)通阻抗和導(dǎo)通壓降，常用功率管代替二極管實現(xiàn)整流功能。通過控制功率管的開通和關(guān)斷，實現(xiàn)和二極管相同的功能。比如圖騰柱PFC，同步整流控制等。在圖騰柱PFC等整流電路中，主要考慮的損耗開關(guān)損耗及死區(qū)損耗是否能夠有效降低。在同步整流控制中，目前常采用的方案是通過檢測Vds電壓實現(xiàn)功率管的開通關(guān)斷。難點在于如何降低開通之前和關(guān)斷之后體二極管續(xù)流時間，以及高頻下寄生電感帶來的關(guān)斷點提前的問題。目前論文中常見的自適應(yīng)方式往往需要復(fù)雜的電路及控制算法才能實現(xiàn)。

5）驅(qū)動、采樣及控制電路損耗

驅(qū)動損耗與功率管的驅(qū)動電阻、電荷Qg及開關(guān)頻率有關(guān)。降低驅(qū)動損耗可以通過選擇較小Qg的功率管，比如GaN器件?；蛘?，通過降低開關(guān)頻率實現(xiàn)。在實際設(shè)計過程中，盡可能的選擇高度集成的控制器，可以有效的降低該部分損耗。

損耗的降低及效率的提高，主要是為了能夠使系統(tǒng)的熱量能夠在有限的體積中釋放出去，有關(guān)電源系統(tǒng)功率密度的提升將在一次分享。

該部分內(nèi)容比較粗糙，僅為自己的一點總結(jié)思考。