硬开关的优缺点以及全谐振式电源适配器

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硬开关的优缺点以及全谐振式电源适配器

在20世纪60年代和70年代，当高效率和高可靠性的半导体以令人能够接受的价格出现后，现代电源适配器成为一种当然之选的技术，在这之前，电源适配器技术仅用于大功率和高频场合，且采用各种磁性元件，如磁放大器和磁通门器件。
令我记忆犹新的是，20世纪60年代初，电子学正面临着一场重要的革命，当时Tobey和 Dinsdale发明了一种基于储半导体的脉冲宽度调制宽带音频放大器，虽然这是一种音频放大器，但却包含了现代电源适配器的基本技术。尽管相关文献直到20世纪80年代才大量出现，但毫无疑问，当时从事电源研究的人数众多。
英规电源适配器设计领域的先驱们（如 Abraham1。 Pressman，1915-2001）在设计线性调节器、电源适配器和谐振式电源时都一样自如，早年，谐振式功率系统通常采用低频开关器件，如晶闸管，频率限制在几千赫兹范围内。
然而近年来，高效的高频器件将工作频率提高至几兆赫兹，高频谐振和准谐振变换器的设计越来越专业化。这就要求设计人员只能专攻硬开关方法（矩形波）或者谐振式方法（正弦或准正弦波）。毫无疑问，这种专业化的原因在于两种方法涉及的知识面均非常广，人们很难在两方面都站在技术的前沿。
最近，第三种方法出现了，即“准谐振式电源适配器”。这种方法试图将硬开关和谐振式系统的主要优点结合起来，在补充内容的第3章给出的就是一个很好的例子：三相交流输入的10kW电源采用准谐振方法，并且证明整机效率接近97%。
在这种情况下，对各种系统的主要优点和缺点进行总结有助于设计者在特定应用中选择最佳方法。迄今没有一种技术能够堪称理想（否则大家就都来用了），在参数设计上总是需要折衷，工程师必须考虑到许多要求和参数然后才能确定最佳方法。

硬开关方法的优缺点
在硬开关方法中，功率器件完全导通一段时间，随后完全关断一段时间，导通和关断时间之比决定着输出电压或电流的平均值。
可以采用多种调制方法，包括定频（导通和关断时间都变化）、变频（导通时间固定而关断时间变化）、变频（关断时间固定而导通时间变化）、变频（导通和关断时间都变化，但纹波电流峰一峰值不变，例如滞环控制）等。
上述方法有一个共同之处，即都在应力很高的情况下开通或关断功率器件，在此期间，功率器件两端的电压和通过器件的电流都很大，造成非常大的开关损耗。尽管可用各种缓冲（负载线整形）方法减小损耗，但并不能从根本上解决问题。下面将利用未采用负载线整形的简单升压变换器对此做出解释。
图所示的是一个基本的升压开关调节器，图42。1b给出了开通过程中电压和电流的波形，图所示的为未采用负载线整形时开关器件的损耗应力。空气净化器电源适配器

硬开关的优缺点以及全谐振式电源适配器

电源适配器由100V输入产生200V输出的升压变换器概图。导通期间电压和电流波形如图（b）所示注意Q1两端的电压在Q1电流超过输出电流之前不会降低，电感L1在开关过程中迫使电流流动，造成Q1在开通和关断过程中产生很大的尖峰开关损耗。（本例中峰值为2000V。）这在开关过程中发生，与器件的开关速度无关，并且证明这种固有的功率损耗与此类调节器的硬开关过程有关

硬开通开关损耗
初始条件：该例中，假设器件是理想的（无损耗）且电路已经进入稳态，输入电压为100V、电流为10A（1kW），输出电压为200V，输出电流平均值约为5A（kW）。电感L很大，因此为了简单起见，本例中可认为输入电流在一个周期中保持不变。
注意到Q1开通之前，流过L1的10A电流经D1和负载流入大电容C2，且输出侧B点的电压为200V，输出电流平均值约为5A，所以C：被5A电流充电。还是为了简单起见假设C2很大，所以纹波电压很小，可以忽略。
由图的左侧部分可见，在开通时刻T1之前，Q的漏极电流（ID）接近于0而B点的电压（Vo）被柑位在200V，这是因为D是导通的，而C点的输出电压为200V。

开通过程
T1时刻Q1在栅极信号的作用下开始导通，Q1的电流开始增加至10A，T1至T2期间，电流增加的速率由Q1的开通特性（以及Q1和C1回路的电感）决定，例如这段时间为1us。注意在这一阶段，Q1两端的电压维持在200V，原因是L的电流为恒定的10AD1仍然导通，D的电流为10A与Q1电流之差。所以，D1仍然将B点的电压位于由C保持的约200V。在这段开通初始阶段内，Q1的损耗非常大，损耗的曲线为图（c）中位于T和T2之间的部分。T2时刻Q1的电流达到10A，D的电流下降至0，D2反向偏置。B点的电压（Q1的漏源电压）从200V开始下降，在T时刻电压降至0之前，Q1仍然是导通的。在这一阶段，Q1的等效电阻开始减小，直至达到R=。但是，Q1中同时存在电压和电流。从而产生损耗，损耗曲线为图（c）中位于T2和T3之间的部分。
图表明在开通过程中Q1的损耗峰值为2000W，需要注意的是，增加开关速度（采用更快的器件）不会改变损耗峰值。使用快速器件可以降低平均功耗，因为功率曲线围成的面积将减小，但功耗峰值维持不变。
重点在于，Q1的峰值损耗为2kW且增加Q1的开关速度峰值损耗保持不变，因为这是硬开关过程的固有特性。实际应用中，可采用缓冲电路（负载线整形）降低Q1的峰值应力，但一般而言这样做只会使损耗转移到其他元件中。类似的过程出现在关断Q时。
这就是硬开关最主要的缺点。其他硬开关拓扑也存在着不同的损耗问题，尽管有许多方法可以降低这类损耗，但并未从根本上解决问题，而且还将工作频率限制在200kHz以下。
空气净化器电源适配器硬开关的主要特性总结如下。

缺点
（１）固有的高开关损耗；
（２）工作频率的范围受限（归因于高开关损耗）；
（３）开关边沿过快遣成宽频谱范围的EMI噪声
（４）需要采用负载线整形技术；
（５）开关器件的应力高；
（６）功率二极管中反向恢复电流很大。

优点
（１）非常成熟的技术和许多行之有效的拓扑。相关的图书和应用注释丰富，有种类齐全的控制IC可供选用；
（２）能适应输入和负载的大范围变化；
（３）非谐振式电路，因此绕线式元件及开关器件中的电流更小，IR损耗也小
（４）易于理解和设计；
（５）布局和绕线式元件的设计不是特别关键。
下面要分析的是全谐振式电源适配器的工作过程。

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| 发布时间：2018.12.17 来源：电源适配器厂家

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