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开关电源兴趣小组 第03次任务 [复制链接]

 
本帖最后由 maychang 于 2020-8-21 10:27 编辑

  第02次思考题
  上次我们我们发布了《开关电源兴趣小组第02次任务》,安排了阅读任务,并布置了五道思考题 http://bbs.eeworld.com.cn/thread-1136121-1-1.html。
  1、《开关电源设计 第三版》图1.4中第4行(d)是开关管Q1中电流波形,第5行(e)是二极管D1中电流波形。这两行波形中,Q1关断时的电流为I2,D1立即导通,电流也是I2,Q1重新导通时电流为I1,D1关断时电流也是I1。为什么Q1关断后电流完全流过D1,Q1重新导通时D1中电流完全流过Q1?
  这是因为电感中电流不能突变,必须保持电流连续。同样,电容两端电压不能突变,必须保持连续。这两条是从电感储能和电容储能推导出来的,如果电感中电流突变或者电容两端电压突变,都需要能量的转移。既然“突变”时间为零,那么瞬时功率将为无穷大,这显然是不可能的。这两条推论在开关电源中被广泛使用。但是,电感两端的电压和通过电容中的电流,却可以突变。
  
  2、试画出《开关电源设计 第三版》图1.4中电容两端电压即输出电压波形以及通过电容的电流波形。建议根据《开关电源设计 第三版》图1.4中第6行(f)电感电流波形来画。
  《开关电源设计 第三版》图1.4中电容通过的电流,根据基尔霍夫定律,就是电感中电流与负载上电流之差。如果负载上电流为纯直流(数学上叫做常数)的话,那么电容中电流波形与电感中电流波形相同,只差一个直流成份。当然,实际上负载中电流不是常数,仍然有微小的纹波,但此纹波相当小,可以近似认为是个常数。
  电容两端的电压就完全不一样了。电容的定义如下图:

S03_01电容定义1.png   稍加变形:

S03_02电容定义2.png   两边积分:

S03_03电容定义3.png   可见电容两端电压的微分就是通过电容的电流,反过来,通过电容的电流积分后就是电容两端的电压变化。
  从前述积分式中可以看出:在一段时间内,对于同样大小的电流流入,电容量C越大,电压变化就越小。这正体现了电容的滤波作用。
  如果通过电容的电流为常数,那么电容两端电压就是一次函数,波形上就是一条倾斜直线,正如电感两端电压为常数,流过电感的电流就是一条倾斜直线一样(《开关电源设计 第三版》图1.4中第6行(f)电感电流波形就是这样的倾斜直线)。
  那么,如果流过电容的电流是一次函数(一条倾斜直线)呢?
  一次函数积分后得到的是二次函数。换句话说,图形是抛物线的一部分!
  所以,《开关电源设计 第三版》图1.4中电容两端电压如下图:

S03_04.png   上图中上面一行是电容中的电流波形(和电感中电流波形相同),下面一行是电容两端电压波形(纵轴已经放大,实际幅度是很小的)。从时刻t1到时刻t3,电压波形是下凹的抛物线,从时刻t3到时刻t5,电压波形是上凸的抛物线。时刻t3和时刻t5,电压波形存在拐点(斜率从增加变为减少或者从减小变为增加)。
  不仅如此,我们还可以推出:电感中电流与负载中电流相等,也就是电容中电流为零的时刻t2,电压必定有极值,另一个电容中电流为零点时刻t4,电压也必定有极值。
  《双向直流变换器》“图2.1 Buck变换器的主电路及其主要工作波形”中,最下面一行输出电压波形是不够正确的。现在我们知道:左侧图(b)电感电流连续波形不正确就在于电压波形最高点不在电容中电流为零时刻。右侧图(c)电感电流断续波形不正确在于电感电流为零时,电容中电流即为负载电流,近似是常数,电容两端电压应该是一条稍稍向右下倾斜的直线。
  
  3、如果《开关电源设计 第三版》图1.4中二极管D1损坏(开路),电路将发生什么事情?如果二极管D1损坏(短路),将发生什么事情?
  如果图1.4中二极管D1开路,那么电感中电流无法续流,将产生很高的感应电动势,这会击穿开关管Q1,其结果通常是输出电压近似等于输入电压,损坏负载。如果图1.4中二极管D1短路,那么开关管Q1导通时将流过极大的电流,开关管Q1可能在一两个周期内即烧毁(如果输入电源能够提供这么大电流的话),也可能连同输入电源一起损坏。
  
  4、实际的二极管都存在反向恢复时间,即二极管通有一定正向电流时突然施加反向电压,二极管不能立即关断,而是在一定时间内反向流过大电流。普通整流二极管例如1N5408,实测反向恢复时间为10微秒甚至更多,而快恢复二极管UF4007则只有50纳秒。当《开关电源设计 第三版》图1.4中使用了1N5408这类普通二极管充当续流二极管D1,当Q1由关断突然转入导通时,会发生什么事情?
  如果使用普通二极管充当续流二极管D1,开关管Q1由关断转入导通时,续流二极管D1上将耗散很大的功率,若干周期后即可能损坏,D1损坏后将连带使Q1也损坏。同时在D1反向恢复时间内开关管Q1中电流也很大,将会严重发热,若干周期后即使D1未损坏,Q1也可能因过热损坏。
  不过,这已经不是理想元器件情况。这类情况将在本次阅读中分析。
  
  5、图1.4各波形中,Q1中电流和D1中电流是连续的,即Q1中电流从某值变为零时D1中电流即从零变为该值。是否存在这样的模式:D1中电流已经降到零,但Q1尚未导通,所以电感中有一段时间电流为零?
  这种模式当然存在。在《双向直流变换器》这本书的2.1.1节已经讲到这种工作模式,并附有各部分电压电流波形。这种电流断续的工作模式,产生在电感Lo的电感量比较小,而负载电阻比较大的情况。电流连续工作模式下,输出电压与输入电压之比近似就是占空比,输入电压与输出电压不变情况下,占空比随负载电流变化很小。而电流断续工作模式在负载电流变化时,占空比变化相当大。
  从《双向直流变换器》这本书的2.1.1节图2.3可知,电流断续工作模式下,如果输出电流趋于零(负载接近开路),即使占空比极小,输出电压也将趋于输入电压,俗称“控制不住”。所以,这种工作模式在实际应用当中用得很少。
  
  
  第03次活动,请各位阅读《开关电源设计 第三版》第1章第3.3节“Buck调整器的效率”、第1章第3.4节“Buck调整器的效率(考虑交流开关损耗)”。以及《双向直流变换器》第2.1.1节“Buck直流变换器”的六、七段。
  在这些内容中,分析了功率开关管的损耗、续流二极管的损耗、电容的损耗,但未涉及电感磁心的损耗。电感磁损耗是个比较复杂的问题,以后会遇到的。
  在《双向直流变换器》第2.1.1节“六、电力电子器件的工作条件”中,并没有定量计算,只有定性分析,这也正应验了《开关电源设计 第三版》1.3.4节“补充1”所说:“开关损耗电计算非常复杂……有可能与实际值相差很大,特别是在高频开关电源里”。
  我们建议读者不必进行损耗的计算,因为计算损耗所需要的参数往往我们不知道。我们只需要知道哪些非理想因素造成损耗就够了。

  
  第03次思考题
  第03次阅读内容,主要是Buck电路中各元器件的损耗。这些损耗包括:
1、 功率开关管(双极型三极管或者场效应管)关断损耗,通常可以忽略。
2、 功率开关管导通损耗(开关管导通阶段管压降与通过电流的乘积)。
3、 功率开关管的开关损耗(由于导通和关断均不能瞬时完成所导致)。
4、 续流二极管正向导通的损耗(管压降与通过电流的乘积)。
5、 续流二极管反向恢复时间内二极管中的损耗。
6、 电感的损耗。阅读内容中未提及电感磁心的损耗,所以我们只考虑绕组的损耗,不考虑磁心的损耗。
7、 电容中的损耗,包括电容漏电流的损耗(通常可以忽略)以及电容寄生电阻所产生的损耗。
  以上7项损耗,哪些与开关频率有关?哪些与开关频率无关?

  
  减少了与开关频率有关的损耗,Buck开关电源就可以工作在较高的频率下。提高开关频率有很多好处,一是电感量和电容量都可以减小,开关管和续流二极管的散热器也可以减小,于是开关电源的体积和重量都可以减小。所以,认识哪些因素与开关频率有关,有其实际意义。


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一粒金砂(中级)

看来“损耗”只能定性不能定量,实验测试应该可以。


 

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定量计算不是不可以,而是需要测量出很多参数之后才能够进行计算,而且计算非常复杂。  详情 回复 发表于 2020-8-21 16:40

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miaods2002 发表于 2020-8-21 16:07 看来“损耗”只能定性不能定量,实验测试应该可以。  

定量计算不是不可以,而是需要测量出很多参数之后才能够进行计算,而且计算非常复杂。


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3,6,7同频率相关,其它同频率无关

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一粒金砂(初级)

1、

所有涉及开通、关断的损耗,都与开关频率有关,因为单位时间内开关次数越多,则损耗越大。因此损耗1、3、5都与频率有关。

2、

导通损耗和开关次数关系不大,在正常的工作频率范围内,可以认为与开关频率无关。所以损耗2、4与频率无关。

3、对于损耗6,电感直流电阻损耗与开关频率无关,磁芯损耗与频率有关。

4、电容漏电流引起的损耗应该和频率关系不大吧;电容ESR应该与频率有关吧。所以损耗7应该与频率有关


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一粒金砂(中级)

3、6、7与开关频率有关

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1.3.5.7与开关频率有关


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一粒金砂(初级)

1 2 3 功率开关管都和频率相关 f越大 损耗越小 4和5 4 的和频率无关 5 的相关内容6 不相关的7 相关 选择esr小的 为了减少发热


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纯净的硅(中级)

功率开关管的关断损耗和导通损耗与频率无关,因此1、2两项与开关频率无关;

功率开关管的开关损耗与频率有关,故第3项与开关频率有关;

续流二极管正向导通的损耗与频率无关,故第4项与开关频率无关;

续流二极管反向恢复时间内二极管中的损耗与频率有关,故第5项与开关频率有关;

电感和电容的损耗与频率有关,故第6、7两项与开关频率有关。

 


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一粒金砂(中级)

1.开关管关断损耗,应该指开关管关断时的静态损耗,这个明显和开关频率无关;
2.导通损耗只在导通时起作用,和开关频率无关;
3.开关损耗明显和开关频率相关,一般频率越高损耗越大;
4.续流二极管正向导通损耗,管压降一定,功率管关闭时通过的平均电流一定,和开关频率无关
5.续流二极管反向恢复时间一定,通过的电流和开关频率无关,其损耗也和开关频率无关;
6.输出电流一定,电感量和器件自相关,电感的损耗和开关频率无关;
7.电容的损耗,输出电流一定,漏电流和寄生电阻只与器件自相关,因此也和开关频率无关

个人签名君应有语,渺万里层云,千山暮雪,知向谁边?

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一粒金砂(初级)

与开关频率有关的是:开关损耗、电感损耗、电容损耗;无关的是:续流二极管正向导通以及反向恢复损耗

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一粒金砂(初级)

我的学号 发表于 2020-8-26 20:46 1.开关管关断损耗,应该指开关管关断时的静态损耗,这个明显和开关频率无关; 2.导通损耗只在导通时起作用 ...

容抗以及感抗跟频率有关吧,而且开关损耗与关断和导通损耗有什么区别?望指导!谢谢!

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这个问题在《开关电源兴趣小组 第04次任务》开始时已说明。请参考该帖。  详情 回复 发表于 2020-8-28 10:28

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hujj 发表于 2020-8-26 16:07 功率开关管的关断损耗和导通损耗与频率无关,因此1、2两项与开关频率无关; 功率开关管的开关损耗与频率 ...

二极管反向恢复时间小于开关周期,不然不就是第二个任务中出现的Q或D烧坏吗?电路要正常工作,必然在Q导通时,二极管要恢复正常,否则二极管反向电流过大烧坏Q或二极管,个人感觉,不管开关频率高低,二极管反向恢复时损耗这个情况无法避免,不过不同的二极管损耗不同,可以选择阻抗小的。心中存在疑问,望指导,谢谢!

点评

开关电源中,二极管反向恢复时间必须远小于开关周期,连开关周期的十分之一都不能容许,否则开关管和二极管都受不了,将会严重发热烧毁,效率就更谈不到了。 不过,随着元器件的发展,如今这个问题已经不是很严重  详情 回复 发表于 2020-8-28 10:32
二极管的反向恢复时损耗是无法避免,但我认为,每次恢复时间是确实的,频率越高,单位时间内恢复的次数就越多,因此损耗也就越大。不知道这个理解是否正确。  详情 回复 发表于 2020-8-28 08:43

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理想的开关器件在此拓扑电路里当开关器件关断时,电流为零,当开关器件开通时电流为零,从这个角度上看,与频率无关。但实际上没有哪种开关器件能做到理想情况,所以开关器件的开通与关断都会有损耗,且实际上是与频率有关的。实际的电容、电感的容抗与感抗都与频率有关;二极管因有PN结电容引起的反向恢复时间,都会产生损耗也都与频率有关。综上件的损耗均与开关频率有关。


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纯净的硅(中级)

可欣 发表于 2020-8-27 21:09 二极管反向恢复时间小于开关周期,不然不就是第二个任务中出现的Q或D烧坏吗?电路要正常工作,必然在Q导 ...

二极管的反向恢复时损耗是无法避免,但我认为,每次恢复时间是确实的,频率越高,单位时间内恢复的次数就越多,因此损耗也就越大。不知道这个理解是否正确。


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可欣 发表于 2020-8-27 20:47 容抗以及感抗跟频率有关吧,而且开关损耗与关断和导通损耗有什么区别?望指导!谢谢!

这个问题在《开关电源兴趣小组 第04次任务》开始时已说明。请参考该帖。


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可欣 发表于 2020-8-27 21:09 二极管反向恢复时间小于开关周期,不然不就是第二个任务中出现的Q或D烧坏吗?电路要正常工作,必然在Q导 ...

开关电源中,二极管反向恢复时间必须远小于开关周期,连开关周期的十分之一都不能容许,否则开关管和二极管都受不了,将会严重发热烧毁,效率就更谈不到了。

不过,随着元器件的发展,如今这个问题已经不是很严重。开关频率已经可以达到上MHz。


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一粒金砂(中级)

135与频率有关;2、5与管子压降和电流乘积有关,个人觉得这两个比较抽象,好像和频率有点关系;6与频率无关,只和电感本身的特性和直流电阻有关;7也与频率无关,该损耗由漏电流引起。


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一粒金砂(初级)

hujj 发表于 2020-8-28 08:43 二极管的反向恢复时损耗是无法避免,但我认为,每次恢复时间是确实的,频率越高,单位时间内恢复的次数就 ...

是的,在反向恢复时间小于开关周期时,开关频率越高,二极管恢复次数越多,损耗越大,有道理,谢谢解惑。


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3,5,6,7吧?

 


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