高效率开关电源设计PPT课件
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一、开关电源损耗分析与 减小的方法
1
（一）导通损耗分析
2
1.1 常规技术下变换器的损耗主要是 开关管和输出整流器的损耗
1. 开关管的导通损耗； 2. 开关管的开关损耗。
3
MOS作为开关管时的导通损耗
其中的电压和电流均为有效值。
4
矩形波电流时占空比的关系
5
wenku.baidu.com
降低开关管的导通电压可以有效地 降低导通损耗
17
开关过程对开关损耗的影响（1） 驱动能力对开关损耗产生的影（1）
开关管的驱动
驱动MOSFET实际上是对MOSFET的栅极 电容的充放电过程。
例如在100ns时间内驱动一个100nC栅极电 荷的MOSFET由关断到导通或由导通到关 断需要1A驱动电流，如果是200mA则驱动 时间就会变为500ns。对应的开关损耗将会 增加到1A驱动电流的5倍。
19
栅极电荷对开关损耗产生的影响（2）
在相同的驱动条件下，IRFP450的开关时 间大约为FQAF16N50的2.86倍； 是STE14NK50Z的2.58倍。 对应的ORFP450的开关损耗也将是 FQAF16N50的2.86倍， STE14NK50Z的 2.58倍。
20
二极管反向恢复过程产生对开关管 开关损耗产生的影响（3）
因此，驱动电流对于快速开关MOSFET非 常重要。
18
开关过程对开关损耗的影响（2） 栅极电荷对开关损耗产生的影响（1）
其中对MOSFET开关过程影响最大的是米 勒电荷，即栅-漏极电荷。 例如栅极电荷为140nC的IRFP450 （14A/500V）的栅-漏极电荷为80nC。 而fairchild的FQAF16N50 （16A/500V， 全塑封装为11.5A）的栅-漏极电荷为28nC； ST的STE14NK50Z的栅-漏极电荷为31nC
16
开关管的开关过程对开关损耗的影 响
开关管的开关过程中，电流、电压同时存 在，这个过程越长开关损耗越大。 1、在开关管的开关过程中让电流、电压相 对的相位发生变化可以降低开关损耗； 2、在开关管的开关过程中电流、电压值存 在一个，而另一个为零，可以消除开关损 耗； 3、缩短开关过程可以减小开关损耗
1. 对于MOSFET而言，降低导通电阻可以 有效降低导通损耗。
例如将IRF840换成IRF740可以将导通 电阻从0.8Ω降低到0.55Ω，导通损耗可以 降低40%以上； 如果采用CoolMOS的SPP07N06C3 （RDS （ON）=0.6Ω）替代IRFBC40（RDS（ON） =1.2Ω）导通损耗可以降低一半。
6
尽可能增加占空比可以降低导通损 耗
在开关管额定电流相同的条件下。占空比 为0.5的导通损耗是占空比0.4的导通损耗的 80%、是占空比0.4的导通损耗的60%。 这种损耗的减少是在不增加成本和电路复 杂性条件下通过改变工作状态轻而易举得 到的。
7
常规技术下开关管的导通损耗比例
MOSFET作为开关管时，导通损耗一般占 开关管总损耗的2/3； IGBT作为开关管时，导通损耗一般占开关 管总损耗的1/3。
VF, max, TVJ =150°C, (V) 1.00
@ IF, (A) 15
trr, typ, TVJ =25°C, (ns) 35
12
（二）开关管的开关损耗分析
在常规技术下，开关损耗随开关频率的升 高而上升，因此轻载时（如30%负载）开 关电源的效率会明显降低。
13
2.1 开关管开关损耗产生的原因
14
15
开关管开关过程是在开关电感性负载，其 特点是开通过程需要电流首先上升到“电 源电流”，然后才是电压的下降； 关断过程则是电压上升到“电源电压”， 然后才是电流的下降。 这些过程中，有电压电流同时存在的现象。 其电流、电压的乘积非常高，因而产生开 关损耗。
8
1.2 降低导通损耗的方法
选择合适的工作模式，尽可能的提高开关管的导 通占空比； 选择导通电阻相对低的MOSFET； 降额使用，例如将可以输出250W的TOP250用于 输出50W的方案中，可以使电源效率达到87%； 选择产品出厂时间比较晚的器件性能会比出厂时 间比较早的器件导通电阻小； 选择导通电压降低的器件作为开关管，例如用 IRF740替代IRF840就是一个很好的方法，采用 CoolMOS替代常规MOS是几好的方法。
21
22
二极管的反向恢复电流对开关过程 的影响
23
结温升高导致反向恢复峰值电流的 增加
24
IRM值有多大？
一般的FERD在100A/μs和150℃结温条件 下要比其正向额定电流还大。 为了降低600V耐压的FERD反向峰值电流， 甚至还采用了两只300V耐压的FERD，特 别是在功率因数校正应用中。
25
而近几年新出的FERD则仅为其额定 电流的三分之二或更低。
DPG30C200HB
VRRM, (V) 200
IFAVM, d = 0.5, Total, (A) 30
IFAVM, d = 0.5, Per Diode, (A) 15
@ TC, (°C) 140
IFRMS, (A) - IFSM, 10 ms, TVJ=45°C, (A) 150
9
1.3.输出整流器的损耗
输出整流器的损耗主要是导通损耗。 在低电压输出时（如5V或3.3V），即使采 用肖特基二极管（导通电压降约0.5V）作 为输出整流器，其导通损耗也会使这一部 分的效率不足10%！（90%）这样整机的 效率很可能就不会超过80%。
10
需要注意肖特基二极管的漏电流
尽管肖特基二极管的导通电压降比较低， 但是肖特基二极管的漏电流比较大，应用 不当时会出现高温状态下的漏电流产生的 损耗会比由于低导通电压所减少的损耗还 大。 这就是有时应用肖特基二极管时效率并不 是很高的原因之一。 选择肖特基二极管要选用漏电流低的型号。
11
1.4 同步整流器可以使输出整流器导 通损耗的降低
为了降低输出整流器的导通损耗，可以采 用MOSFET构成同步整流器，如果一个导 通电阻为10mΩ的MOSFET流过20A电流， 其导通电压降仅仅0.2V！明显低于肖特基 二极管的在这个电流下的导通电压，如果 流过10A电流，则导通电压会更低。 这就是现在的高效率开关电源的输出整流 器采用同步整流器的最主要的原因。
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（一）导通损耗分析
2
1.1 常规技术下变换器的损耗主要是 开关管和输出整流器的损耗
1. 开关管的导通损耗； 2. 开关管的开关损耗。
3
MOS作为开关管时的导通损耗
其中的电压和电流均为有效值。
4
矩形波电流时占空比的关系
5
wenku.baidu.com
降低开关管的导通电压可以有效地 降低导通损耗
17
开关过程对开关损耗的影响（1） 驱动能力对开关损耗产生的影（1）
开关管的驱动
驱动MOSFET实际上是对MOSFET的栅极 电容的充放电过程。
例如在100ns时间内驱动一个100nC栅极电 荷的MOSFET由关断到导通或由导通到关 断需要1A驱动电流，如果是200mA则驱动 时间就会变为500ns。对应的开关损耗将会 增加到1A驱动电流的5倍。
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栅极电荷对开关损耗产生的影响（2）
在相同的驱动条件下，IRFP450的开关时 间大约为FQAF16N50的2.86倍； 是STE14NK50Z的2.58倍。 对应的ORFP450的开关损耗也将是 FQAF16N50的2.86倍， STE14NK50Z的 2.58倍。
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二极管反向恢复过程产生对开关管 开关损耗产生的影响（3）
因此，驱动电流对于快速开关MOSFET非 常重要。
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开关过程对开关损耗的影响（2） 栅极电荷对开关损耗产生的影响（1）
其中对MOSFET开关过程影响最大的是米 勒电荷，即栅-漏极电荷。 例如栅极电荷为140nC的IRFP450 （14A/500V）的栅-漏极电荷为80nC。 而fairchild的FQAF16N50 （16A/500V， 全塑封装为11.5A）的栅-漏极电荷为28nC； ST的STE14NK50Z的栅-漏极电荷为31nC
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开关管的开关过程对开关损耗的影 响
开关管的开关过程中，电流、电压同时存 在，这个过程越长开关损耗越大。 1、在开关管的开关过程中让电流、电压相 对的相位发生变化可以降低开关损耗； 2、在开关管的开关过程中电流、电压值存 在一个，而另一个为零，可以消除开关损 耗； 3、缩短开关过程可以减小开关损耗
1. 对于MOSFET而言，降低导通电阻可以 有效降低导通损耗。
例如将IRF840换成IRF740可以将导通 电阻从0.8Ω降低到0.55Ω，导通损耗可以 降低40%以上； 如果采用CoolMOS的SPP07N06C3 （RDS （ON）=0.6Ω）替代IRFBC40（RDS（ON） =1.2Ω）导通损耗可以降低一半。
6
尽可能增加占空比可以降低导通损 耗
在开关管额定电流相同的条件下。占空比 为0.5的导通损耗是占空比0.4的导通损耗的 80%、是占空比0.4的导通损耗的60%。 这种损耗的减少是在不增加成本和电路复 杂性条件下通过改变工作状态轻而易举得 到的。
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常规技术下开关管的导通损耗比例
MOSFET作为开关管时，导通损耗一般占 开关管总损耗的2/3； IGBT作为开关管时，导通损耗一般占开关 管总损耗的1/3。
VF, max, TVJ =150°C, (V) 1.00
@ IF, (A) 15
trr, typ, TVJ =25°C, (ns) 35
12
（二）开关管的开关损耗分析
在常规技术下，开关损耗随开关频率的升 高而上升，因此轻载时（如30%负载）开 关电源的效率会明显降低。
13
2.1 开关管开关损耗产生的原因
14
15
开关管开关过程是在开关电感性负载，其 特点是开通过程需要电流首先上升到“电 源电流”，然后才是电压的下降； 关断过程则是电压上升到“电源电压”， 然后才是电流的下降。 这些过程中，有电压电流同时存在的现象。 其电流、电压的乘积非常高，因而产生开 关损耗。
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1.2 降低导通损耗的方法
选择合适的工作模式，尽可能的提高开关管的导 通占空比； 选择导通电阻相对低的MOSFET； 降额使用，例如将可以输出250W的TOP250用于 输出50W的方案中，可以使电源效率达到87%； 选择产品出厂时间比较晚的器件性能会比出厂时 间比较早的器件导通电阻小； 选择导通电压降低的器件作为开关管，例如用 IRF740替代IRF840就是一个很好的方法，采用 CoolMOS替代常规MOS是几好的方法。
21
22
二极管的反向恢复电流对开关过程 的影响
23
结温升高导致反向恢复峰值电流的 增加
24
IRM值有多大？
一般的FERD在100A/μs和150℃结温条件 下要比其正向额定电流还大。 为了降低600V耐压的FERD反向峰值电流， 甚至还采用了两只300V耐压的FERD，特 别是在功率因数校正应用中。
25
而近几年新出的FERD则仅为其额定 电流的三分之二或更低。
DPG30C200HB
VRRM, (V) 200
IFAVM, d = 0.5, Total, (A) 30
IFAVM, d = 0.5, Per Diode, (A) 15
@ TC, (°C) 140
IFRMS, (A) - IFSM, 10 ms, TVJ=45°C, (A) 150
9
1.3.输出整流器的损耗
输出整流器的损耗主要是导通损耗。 在低电压输出时（如5V或3.3V），即使采 用肖特基二极管（导通电压降约0.5V）作 为输出整流器，其导通损耗也会使这一部 分的效率不足10%！（90%）这样整机的 效率很可能就不会超过80%。
10
需要注意肖特基二极管的漏电流
尽管肖特基二极管的导通电压降比较低， 但是肖特基二极管的漏电流比较大，应用 不当时会出现高温状态下的漏电流产生的 损耗会比由于低导通电压所减少的损耗还 大。 这就是有时应用肖特基二极管时效率并不 是很高的原因之一。 选择肖特基二极管要选用漏电流低的型号。
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1.4 同步整流器可以使输出整流器导 通损耗的降低
为了降低输出整流器的导通损耗，可以采 用MOSFET构成同步整流器，如果一个导 通电阻为10mΩ的MOSFET流过20A电流， 其导通电压降仅仅0.2V！明显低于肖特基 二极管的在这个电流下的导通电压，如果 流过10A电流，则导通电压会更低。 这就是现在的高效率开关电源的输出整流 器采用同步整流器的最主要的原因。