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如何降低晶体管和变压器损耗提高开关电源效率

2023-01-25 15:43:00

一、开关电源的损耗

开关电源的损耗主要来自三个元件：开关晶体管、变压器和整流二极管。

1、开关晶体管损耗

主要分为开通/关断损耗两个方面。开关晶体管的损耗主要与开关管的开关次数有关，还与工作频率和负载特性有关。如果开关时间增加一倍，开关管的损耗将增加约2～3倍，而开关管的损耗与开关电源的工作频率成正比。

2、开关变压器的损耗

主要包括磁滞损耗、涡流损耗和铜损。开关变压器的涡流损耗和变压器线圈的铜损与工作频率的平方成正比，而磁滞损耗除与工作频率外还与磁通密度的1.6次方成正比。

3、整流二极管的损耗

主要由两部分组成：正向导通损耗和反向恢复损耗。整流二极管的正向损耗与整流二极管的正向压降有关，而反向恢复损耗与二极管的反向恢复时间有关。

以上三种损耗占开关电源总损耗的20%以上。如何降低开关晶体管和变压器的损耗，提高效率，是每个工程师在设计的时候都会考虑到的问题。

二、开关晶体管损耗

开关晶体管的损耗主要包括开通损耗和关断损耗。

开关晶体管电路

1、开关晶体管的等效电路

开关晶体管的等效电路

三极管（或MOSFET）的输入可以等效为一个电容并联一个电阻，其输入电压为：

输入电压公式

三极管（或MOSFET）导通时，输出端可以等效为一个电感并联一个电阻；三极管截止时，可以等效为一个电容与一个电阻并联；其输出电压为：

输出电压公式

集电极电流为：

集电极电流公式

2、开关晶体管开通/关断过程——纯阻性负载

纯阻性开关电路

【

三极管开关特性参数：

】

(1) 延迟时间td

当输入信号 Vin 变为正时，集电极电流Ic上升到其最大值 Icm 的 10%所需的时间。

(2) 上升时间tr

集电极电流Ic从其最大值 Icm 的 10% 上升到 90%所花费的时间。

(3) 存放时间ts

当输入信号 V in变为负时，峰值集电极电流 I cm降至其值的 90%所需的时间。

(4) 下降时间tf

集电极电流Ic从其最大值 Icm 的 90% 下降到 10%所花费的时间。

纯阻性负载的开关损耗

3、开关晶体管导通/关断过程-反激式输出电源

反激式开关电源

采用反激式开关电源，流过开关管的电流是锯齿波。起初开关管导通，流过变压器初级线圈的电流很小，但在变压器关断前电流变得很大。因此晶体管在导通时间（td和tr）的损耗很小，而在关断时间（ts和tf）的损耗很大，相差几十倍。

反激式开关模式电源的开关损耗

4、开关晶体管导通/关断过程-正向输出电源

正向开关电源

对于正向开关电源，流过开关管的电流是梯形波形。起初开关管导通，流过变压器初级线圈的电流比较大。它在晶体管关闭之前变大。因此，开关管在导通初期（td和tr）和关断期间（ts和tf）的损耗均大于反激式开关电源。

降低开关损耗的一种方法是尽可能缩短晶体管的导通/关断时间，尤其是关断时间，另一种方法是降低工作频率。

正激式开关电源的开关损耗

5、开关时间对开关损耗的影响

增加开启/关闭时间会同时增加开关损耗

纯阻性负载的开关损耗与开关管的四次开关次数成正比。因此增加晶体管的导通/关断时间会同时降低开关电路的电压和电流上升率。也有利于降低开关电源的辐射干扰，但会增加晶体管的开关损耗。

在感性负载中，正激式和反激式开关电源的开关损耗不同。

开关电路各点的波形和损耗

三、开关电源变压器损耗

1、单极开关电源变压器磁芯的磁滞回线

单极开关电源变压器磁芯的磁滞回线

上图为单极开关电源正常工作时变压器铁心的磁化曲线（磁滞回线）。当励磁电流对铁芯进行磁化时，磁通密度沿磁化曲线abc变化。在这种情况下，磁通密度随着磁场强度的增加而增加。退磁时，磁通密度和磁场强度沿磁化曲线cda变化。在这种情况下，磁通密度随着磁场强度而降低。

一方面，当脉冲宽度一定时，励磁电流和退磁电流产生的磁场强度大小相等方向相反，因此磁滞环的两端（a和c）为基本稳定。另一方面，磁滞回线的两端会随着脉冲宽度的变化而变化。

2、变压器铁芯的选择

各种变压器铁芯的工作频率范围

关于变压器铁芯的选择，我们主要考虑体积、工作效率、可靠性、成本等方面，其中必然涉及到变压器铁芯的诸多参数，如：最大磁通密度Bm（或磁饱和磁通密度Bs )、最大磁导率μm、有效磁导率μe、矫顽力Hm和涡流损耗等。这些参数基本上与工作频率有关，尤其是涡流损耗Pe和磁滞损失 Ph。

来源：李工谈元器件

开关电源损耗频率负载