把开关电源频率无限提升，会炸吗？

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把开关电源频率无限提升，会炸吗？ [复制链接]

估计很多新手工程师在设计开关电源计算变压器时发炸现，把电源的开关频率提高后变压器磁芯更加不容易饱和，或者说可以用更小的磁性做出同样功率的电源，甚至在想把开关频率无限制提高来无限制缩小变压器的体积。

 

但实际上一般开关电源的频率都不会特别高，也不可能使频率无限提高，其中到底有哪些原因？

 

器件限制、损耗、EMI、PCB布局难度提升等问题都是制约开关频率无限提升的因素，下面稍微展开来讲一下！

 

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。

曾经笔者在delta用在3kW的逆变器上的一款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。

 

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。

 

开关损耗确实是限制因素之一，但是氮化镓器件的推出已经让开关损耗在1-3Mhz这个范围内变得可以接受，我下面附一张图片，这是三家公司推出的650V的GaN device，可以看出最好的管子开通损耗已经4uJ，关断损耗在8uJ(测试条件在400V, 12A)，甚至有家公司的650V的管子基本可以和Transphorm平齐。而同电压电流等级的硅器件很多管子都还在以mJ为单位。

 

 

 

 

下面在贴出一张低压氮化镓和硅器件的比较，可以看出，总体来说，驱动损耗也会变得很小。

 

 

 

 

还有一点很重要，宽禁带半导体的工作结温很高，以目前的工艺来说，Sic的结温可以工作到200°，氮化镓可以工作到150°。而硅器件呢，我觉得最多100°就不得了。结温高，意味着相同损耗下，需要给宽禁带半导体设计的散热器表面积要小很多，何况宽禁带半导体的损耗本身还小。

 

是开关频率的提高，往往只能使用QFN或者其他一些表贴器件减少封装寄生参数，这给散热系统带来了极大的挑战，原来To封装可以加散热器，减少到空气对流的热阻，而现在不行了。所以如果想在高频下工作，第一问题就是解决散热，把高开关损耗导出去，尤其是在kW级别，散热系统非常重要。现在学界解决这个问题的手段偏向于把器件做成独立封装，采用一种叫DCB的技术，用陶瓷基板散热，器件从陶瓷上表面到下表面的热阻基本为0.4°C/W（有些人也用metal core PCB, 但是要加绝缘层，热阻一般在4°C/W），而FR4为20°C/W。

 

 

 

 

半导体不断在发展，开关损耗也在显著下降，而封装越来越小，现在来看，我们要做的是怎么把那些热量从那么小的表贴封装下散出去。

 

磁元件损耗

 

绕组的趋肤效应和临近效应。在变压器的高频工作时，影响更加严重。会引起较大的绕组涡流耗损，当然开关频率提高，绕组的匝数会降低。相应的绕组交流阻抗变大了，但是绕线长度减少了。问题貌似也不会很大，谐振半桥应用，我们经常会选200KHZ的频率。这样磁性元件的体积和耗损，是一个比较合适的范围。

 

 

 

 

变压器的铁损主要由变压器涡流损耗产生，如下图所示，给线圈加载高频电流时，在导体内和导体外产生了变化的磁场垂直于电流方向(图中1→2→3和4→5→6)。根据电磁感应定律，变化的磁场会在导体内部产生感应电动势，此电动势在导体内整个长度方向(L面和N面)产生涡流(a→b→c→a和d→e→f→d)，则主电流和涡流在导体表面加强，电流趋于表面，那么，导线的有效交流截面积减少，导致导体交流电阻(涡流损耗系数)增大，损耗加大。

 

 

 

 

如下图所示，变压器铁损是和开关频率的kf次方成正比，又与磁性温度的限制有关，所以随着开关频率的提高，高频电流在线圈中流通产生严重的高频效应，从而降低了变压器的转换效率，导致变压器温升高，从而限制开关频率提高。

 

 

 

lanhua

适可而止！：

不是开关频率越高，功率密度就越高

慎重选择开关频率，开关频率会极大的影响整个变化器的功率密度

周克亚

很好的解说！