開(kāi)關(guān)電源是一種采用開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制的直流穩(wěn)壓電源。它以小型化和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于幾乎所有的電子設(shè)備中,正逐漸成為當(dāng)今電源技術(shù)中的一種主流電源方式。但這種電源目前在技術(shù)上仍有諸多問(wèn)題有待解決,既要保持開(kāi)關(guān)電源現(xiàn)有的高效率特性,又要更進(jìn)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(kāi)關(guān)電源的效率,直接受開(kāi)關(guān)電源本身的限制。如電源設(shè)備的小型化主要通過(guò)高頻化和高密度化來(lái)實(shí)現(xiàn),電路內(nèi)的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)存在著開(kāi)、關(guān)損耗,而這種損耗與開(kāi)關(guān)頻率成正比關(guān)系,因此,高頻化會(huì)增加半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的損耗;高密度化也會(huì)因散熱面積的減小而導(dǎo)致溫度升高,從而影響開(kāi)關(guān)電源的效率,也影響它的可靠性。只有提高效率,才是保證開(kāi)關(guān)電源可靠性的最有效的方法;只有找出使開(kāi)關(guān)電源效率降低的原因,才能解決提高開(kāi)關(guān)電源的效率問(wèn)題1。
1開(kāi)關(guān)電源效率降低的主要原因
1.1開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)方法有問(wèn)題
(1) 過(guò)驅(qū)動(dòng);(2)欠驅(qū)動(dòng);(3)反向偏置電流不夠。
1.2變壓器或扼流圈有問(wèn)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(dāng);(4)將多股繞制時(shí)因繞線錯(cuò)誤造成圈數(shù)不等的線圈并聯(lián)使用;(5)銅損與鐵損的不平衡。
1.3吸收電路的參數(shù)不合適
1.4整流管特性方面的問(wèn)題
(1)整流管的壓降太大;(2)整流管的反向恢復(fù)時(shí)間太長(zhǎng)。
1.5其他輔助電路引起的問(wèn)題
(1)輔助電路的功率損耗太大;(2)假負(fù)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(kāi)關(guān)電源效率的途徑
1通過(guò)改進(jìn)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)方法提高效率
開(kāi)關(guān)管的損耗與其基極的驅(qū)動(dòng)電壓、電流的波形有直接的關(guān)系,理想的基極驅(qū)動(dòng)波形如圖2所示。
在脈沖的前沿,使開(kāi)關(guān)管的基極流過(guò)尖峰電流lbp的目的是縮短開(kāi)始導(dǎo)通到完全導(dǎo)通所需的接通時(shí)間,來(lái)減小開(kāi)關(guān)管的功率損耗。
基極電流Ib1是使開(kāi)關(guān)管持續(xù)導(dǎo)通所需的,當(dāng)Ib1大時(shí),發(fā)射極–集電極間飽和壓降減小,若Ib1太大,則開(kāi)關(guān)管的關(guān)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(shí)間變化時(shí),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(duì)集電極電流c按照Ib=icN1/N2的關(guān)系變化。
為防止因基極電流太大而增加開(kāi)關(guān)管的存儲(chǔ)時(shí)間,可采用圖4的反向箱位電路。這種電路,當(dāng)基極電流上升到使開(kāi)關(guān)管的飽和壓降低于Uw時(shí),二極管D,導(dǎo)通,阻止基極電流的進(jìn)一步增加,可有效地防止過(guò)驅(qū)動(dòng)。
在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí),從圖2所示的波形看,采取加反向偏壓的方法,可將開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間積累在基區(qū)的載流子吸出,縮短開(kāi)關(guān)管存儲(chǔ)時(shí)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(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí),使T.z管導(dǎo)通,將反向電壓加于開(kāi)關(guān)管的基極上。
2通過(guò)改進(jìn)吸收回路來(lái)提高效率
給開(kāi)關(guān)管附加吸收電路,可防止開(kāi)關(guān)管在關(guān)斷瞬間發(fā)射極和集電極間出現(xiàn)迅猛上升的電壓,保證不超出發(fā)射極–集電極電壓的安全工作范圍,同時(shí)也減少向外發(fā)出的干擾。但這種吸收電路如果一味地減小開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷功耗，當(dāng)開(kāi)關(guān)管接通時(shí),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(jìn)吸收回路也是提高效率的-一個(gè)重要方面。常用的改進(jìn)吸收回路有兩種形式，即有內(nèi)部損耗的和能把吸收功率送回電源的。
(1)有內(nèi)部損耗的改進(jìn)吸收回路如圖6所示。圖6(a)的電路在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷瞬間有電流流過(guò)電容C和二極管D,使開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極-集電極間的電壓上升速度減慢。電阻R在開(kāi)關(guān)管接通瞬間,將電容C上的電荷迅速消耗,并對(duì)開(kāi)關(guān)管集電極電流限流。二極管D在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí),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(zhuǎn).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(wěn)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(jìn)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(huì)更好。
3通過(guò)其他途徑也能提高效率
除選好開(kāi)關(guān)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?yàn)檎鞫O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(fù)時(shí)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(shí),會(huì)出現(xiàn)暫態(tài)正向壓降上升、損耗增加的問(wèn)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(lián),雖然正向壓降增加一倍,但開(kāi)關(guān)損耗卻降低了。
變壓器和扼流圈只要符合優(yōu)化設(shè)計(jì)條件,就不會(huì)對(duì)效率產(chǎn)生很大的影響。另外,為了減小鐵心損耗,選用鐵心材料時(shí)盡量選用高頻低損耗的,如H7c1、H7c4、SB7等等。
綜上所述,提高開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源效率的效果有限。目前,提高開(kāi)關(guān)電源效率切實(shí)可行的途徑,只能在器件材料的選用和電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)上。
