開關電源是一種采用開關進行控制的直流穩壓電源。它以小型化和高效率的特點被廣泛應用于幾乎所有的電子設備中,正逐漸成為當今電源技術中的一種主流電源方式。但這種電源目前在技術上仍有諸多問題有待解決,既要保持開關電源現有的高效率特性,又要更進一步地提高其效率,正是所需攻克的課題之一。
提高并保持開關電源的效率,直接受開關電源本身的限制。如電源設備的小型化主要通過高頻化和高密度化來實現,電路內的半導體開關存在著開、關損耗,而這種損耗與開關頻率成正比關系,因此,高頻化會增加半導體開關的損耗;高密度化也會因散熱面積的減小而導致溫度升高,從而影響開關電源的效率,也影響它的可靠性。只有提高效率,才是保證開關電源可靠性的最有效的方法;只有找出使開關電源效率降低的原因,才能解決提高開關電源的效率問題1。
1開關電源效率降低的主要原因
1.1開關管的驅動方法有問題
(1) 過驅動;(2)欠驅動;(3)反向偏置電流不夠。
1.2變壓器或扼流圈有問題
(1)變壓器鐵心的飽和;(2)變壓器原邊和副邊線圈間的漏電感太大;(3)線圈或鐵心選擇不當;(4)將多股繞制時因繞線錯誤造成圈數不等的線圈并聯使用;(5)銅損與鐵損的不平衡。
1.3吸收電路的參數不合適
1.4整流管特性方面的問題
(1)整流管的壓降太大;(2)整流管的反向恢復時間太長。
1.5其他輔助電路引起的問題
(1)輔助電路的功率損耗太大;(2)假負載電流太大;(3)控制電路的異常振蕩。
等等,如圖1所示。
提高開關電源效率的途徑
1通過改進開關管的驅動方法提高效率
開關管的損耗與其基極的驅動電壓、電流的波形有直接的關系,理想的基極驅動波形如圖2所示。
在脈沖的前沿,使開關管的基極流過尖峰電流lbp的目的是縮短開始導通到完全導通所需的接通時間,來減小開關管的功率損耗。
基極電流Ib1是使開關管持續導通所需的,當Ib1大時,發射極–集電極間飽和壓降減小,若Ib1太大,則開關管的關斷特性變差,通常的理想值是Ib1為lc的1/5,如果集電極電流隨時間變化時,基極電流最好保持與集電極電流成比例變化。比例的變化可采取電流互感器加上正反饋的方法,在單管電路中,也可采用如圖3所示的電路,使基極電流I對集電極電流c按照Ib=icN1/N2的關系變化。
為防止因基極電流太大而增加開關管的存儲時間,可采用圖4的反向箱位電路。這種電路,當基極電流上升到使開關管的飽和壓降低于Uw時,二極管D,導通,阻止基極電流的進一步增加,可有效地防止過驅動。
在開關管關斷時,從圖2所示的波形看,采取加反向偏壓的方法,可將開關管導通期間積累在基區的載流子吸出,縮短開關管存儲時間,是提高效率極其重要的方法。
圖5就是施加反向偏壓的電路。在電路中,當開關管關斷時,使T.z管導通,將反向電壓加于開關管的基極上。
2通過改進吸收回路來提高效率
給開關管附加吸收電路,可防止開關管在關斷瞬間發射極和集電極間出現迅猛上升的電壓,保證不超出發射極–集電極電壓的安全工作范圍,同時也減少向外發出的干擾。但這種吸收電路如果一味地減小開關管的關斷功耗，當開關管接通時,吸收電路放出其中積蓄的能量,反而增加功率損耗,造成效率降低。因此,改進吸收回路也是提高效率的-一個重要方面。常用的改進吸收回路有兩種形式，即有內部損耗的和能把吸收功率送回電源的。
(1)有內部損耗的改進吸收回路如圖6所示。圖6(a)的電路在開關管關斷瞬間有電流流過電容C和二極管D,使開關管的發射極-集電極間的電壓上升速度減慢。電阻R在開關管接通瞬間,將電容C上的電荷迅速消耗,并對開關管集電極電流限流。二極管D在開關管關斷時,將電阻R短路以提高電容C的電壓吸收效果。
圖6(b)是將變壓器T的原副邊積蓄的能量轉.移到電容C上,然后用電阻R將這部分能量消耗掉,也可把電阻R換成穩壓二極管D,以避免能量的消耗。
(2)能把吸收功率送回電源的改進吸收回路如圖7所示。
只要利用這些方法,將吸收回路中吸收的能量送回電源,就可獲得高效率,如將這些電路組合使用效果會更好。
3通過其他途徑也能提高效率
除選好開關管之外,還要選好整流二極管,其目的是為了減少管子損耗。因為整流二極管的損耗是由二極管的特性決定的.所以必須選用正向壓降低、反向恢復時間短的二極管,在二極管的損耗方面,要注意在二極管電流上升速度快時,會出現暫態正向壓降上升、損耗增加的問題。若是在輔助電源的小電流電容輸入式整流電路中,把兩只相同的二極管串聯,雖然正向壓降增加一倍,但開關損耗卻降低了。
變壓器和扼流圈只要符合優化設計條件,就不會對效率產生很大的影響。另外,為了減小鐵心損耗,選用鐵心材料時盡量選用高頻低損耗的,如H7c1、H7c4、SB7等等。
綜上所述,提高開關電源效率的各種方法較多、但大多為單一性方法。由于缺少方法的綜合性,提高開關電源效率的效果有限。目前,提高開關電源效率切實可行的途徑,只能在器件材料的選用和電路的優化設計上。
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