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電子設備特別是計算機的不斷小型化,要求供電電源的體積隨之小型化,因而開關電源開始替代以笨重的工頻變壓器為特征的線性穩(wěn)壓電源,同時電源效率得到明顯提高。電源體積的減小意味著散熱能力的變差,因而要求電源的功耗變小,即在輸出功率不變的前提下,效率提高。
率功率變換:開關電源設計追求的目標
相同體積的電源的功率耗散基本相同,因此,欲得到更大的輸出功率,提率,同時,高的電源效率可以有效地減小功率半導體器件的應力,有利于提高其可靠性。
開關電源的損耗主要為:無源元件損耗和有源元件損耗
開關損耗一直困惑著開關電源設計者,由于功率半導體器件在開關過程中,器件上同時存在電流、電壓,因而不可避免地存在開關損耗,如果開關電源中開關管和輸出整流二極管能實現(xiàn)零電壓開關或零電流開關,則其效率可以明顯提高。
開關過程引起的開關損耗大致會占總輸入功率的5%~10%,大幅度降低或這一損耗可使開關電源的效率提高5%~10%。zui有效的方法是軟開關技術或零電壓開關或零電流開關技術。
在眾多軟開關的方案中,比較實用的有大功率的全橋變換器,通常采用移相零電壓開關的控制方式,這種控制方式要求在初級側(cè)需附加一續(xù)流電感以確保開關管在零電壓狀態(tài)下導通,由于較大的有效值電流流過,這個附加電感將發(fā)熱(盡管比RC緩沖電路小得多),因而在低壓功率變換中并不采用。
無源無損耗緩沖電路的特點是不破壞常規(guī)PWM控制方式,設計/調(diào)試簡單。盡管如此,無源無損耗緩沖電路和準諧振/零電壓開關工作方式也存在一些缺點,如僅能實現(xiàn)關斷軟開關以及在反激式變換器中不太適于大負載范圍變化。軟開關中有源箝位是提高單管正/反激變換器效率的有效方法,zui初的限制現(xiàn)在已失效,可以普遍應用。
功率半導體器件的進步:率功率變換的根本
功率半導體器件的進步特別是Power MOSFET的進步引發(fā)出功率變換的一系列的進步:Power MOSFET的極快的開關速度,使開關電源的開關頻率從雙極晶體管的20kHz提高到100kHz以上,有效地減小了無源儲能元件(電感、電容)的體積。低壓Power MOSFET使低壓同步整流成為現(xiàn)實,器件的導通電壓從肖特基二極管的0.5V左右,降低到同步整流器的0.1V甚至更低,使低壓整流器的效率至少提高了 10%。高壓Power MOSFET的導通壓降和開關特性的改善,提高了開關電源的初級效率。功率半導體器件的功耗的降低也使散熱器和整機的體積減小。

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