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制约开关电源频率提升的局限是什么?

1、器件的限制
对于一个开关管来说,在实际应用中,不是给个驱动就开,驱动撤掉就关了。它有开通延迟时间(tdon),上升时间(tr),关断延迟时间(tdoff),下降时间tf,对应的波形如下:

通俗的讲,开关管开通关断不是瞬间完成的,需要一定的时间,开关管本身的开关时间就限制了开关频率的提升。
以答主以前在台达实习,台达用在3kW的逆变器上的一款英飞凌600V的coolmos为例。看看这些具体的开关时间是多少

那么对于这个mos管来说,它的极限开关频率(在这种极限情况下,mos管刚开通就关断)fs=1/(16+12+83+5)ns=8.6MHz,当然,在实际应用中,由于要调节占空比,不可能让开关管一开通就关断,所以实际的极限频率是远低于8.6MHz的,所以器件本身的开关速度是限制开关频率的一个因素。

2、开关损耗
当然,随着器件的进步,开关管开关的速度越来越快,尤其是在低压小功率场合,如果仅考虑器件本身的开关速度,开关频率可以run得非常高,但实际并没有,限制就在开关损耗上面。
下面给出开关管实际开通的时候对应的波形图

可以看到,开关管每开通一次,开关管DS的电压(Vds)和流过开关管的电流(Id)会存在交叠时间,从而造成开通损耗,关断亦然。假设每次开关管每开关一次产生的能量损耗是一定的,记为Esw,那么开关管的开关损耗功率就为Psw=Esw*fs,显然,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,这对于重视效率的开关电源来说,显然是不可接受的。所以,开关损耗是限制开关频率的第二因素。

3、软开关的困难
题主提到了软开关,没错,软开关确实是解决开关损耗的有力手段。而在各种研究软开关的paper上,提出了无数种让人眼花缭乱的软开关方案,似乎软开关能解决一切问题。但是实际工程应用和理论分析不同,实际工程追求的是低成本,高效率,高可靠性,那些需要添加一堆辅助电路,或者要非常精确控制的软开关方案在实际工程中其实都是不太被看好的,所以即使到现在,在工业界最常应用软开关的拓扑也只要移相全桥和一些谐振的拓扑(比如LLC),至于题主提到的flyback,没错,我也听说过有准谐振的flyback(但没研究过),但即使有类似的方案,对于能不能真正工程应用,题主也需要从我上面提到的几个问题去考量一下。

ps2 对于小功率高频电源,现在class E非常火,我觉得它火的原因就是电路简单,所以才能被工业界接受,题主有兴趣可以去研究下。

4、高频化带来的一系列问题
假设上面的一系列问题都解决了,真正做到高频化还需要解决一系列工程上的问题,比如在高频下,电路的寄生参数往往会严重影响电源的性能(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),造成一系列电压电流波形震荡和EMI的问题,如何消除寄生参数的影响,甚至进一步地,如何利用寄生参数为电路服务,都是有待研究的问题。
ps,对于高频化应用的实际工程应用的问题,还有很重要的一块是高频驱动电路的设计, @桂涵东实验室这块做得比较好,可以邀请他来回答下。

当然,随着新器件(SiC, GaN)的兴起,开关电源高频化的研究方兴未艾,开关电源的高频化一定是趋势,而且有望给电力电子带来又一次革命。让我们拭目以待。

原载http://www.zhihu.com/question/27870749#answer-10979055
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4条回应:“制约开关电源频率提升的局限是什么?”

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