开关电源损耗分析

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开关电源损耗分析

对于开关电源效率的提高，我们常常所关心的是开关管的开关损耗，总是试图进行软开关控制以提高效率，但是，在开关电源的设计中，我们可能常常忽略了非常重要的损耗因素。在此，偶罗列出一些损耗因素，并给予适当的计算，目的是提醒大家注意其它因素，比如PCB布线、电解电容、变压器、整流管等，对开关电源效率的不可忽视的影响。
文中计算多有不周之处，期望大侠们批评指正。在此抛砖引玉，希望给大家带出一个努力的方向。

电源效率分析（以交流三相输入，输出400V12.5A5000W为例）
1. 三相输入整流桥（BR3510W）：小计：
相电流：Ii = Pi/3/Ui
功率损耗：p = Ii * Ud*3
占比约为：p/Pi = Ud*/Ui = （0.98*2）/220 = 0.89% 0.89%
（单相整流仿真分析，有470uF滤波电容和无滤波电容两种情况下，同样输出1.5kW，整流二极管上的损耗比为129：70，
再加上滤波电容的损耗，实际低功率因数情况下的整流损耗会更大，可能会超过1.64%。输入滤波电容越大，功率因数越低，效率越低。）
没有PFC校正的电路，减小输入滤波电容，增大输出滤波电容，但可能会带来较大的工频噪声。

2. 输出止逆（防倒灌）：
15A*1.05V=15.75W，15.75W/5000W=0.315% 1.205%

3. 输出整流（DSEI3010）：
输出电流：Io = Po/Uo
功率损耗：p = Io*Ud*2
占比约为：p/Po = Ud*2/Uo = 1.8*2/400= 0.90% 2.105%

4. 开关管（IXFX44N80）
开关管通态损耗：0.190Ω*1.5（热态）*11A^2/5000W = 0.69% 2.795%
关断损耗：（520V*2A*0.2us/32us+520V/2*12.5A*0.015us/32us）/5000W = 0.16% （仿真结果，出入较大） 2.955%
5. 变压器损耗：
铜损：9/16，0.1mm线700股，5.495mm2，长度1000mm，铜的电阻率为17.5x10-8，线包导线电阻6.37mΩ。
额定输入AC380V情况下，输入整流电压380Vx1.2 = DC456V，输入大功率400Vx12.5A/0.91/0.9=6105W，
输入电流13.4A，半桥LLC变压器初级电流有效值26.8A。线包总铜损 = 26.8x26.8x6.37x2/1000=9.15W，占0.183%。 3.138%
（实测初级8 mΩ，次级18 mΩ）
以天通的TP4磁芯为例，磁导率2300，功率损耗650kW/m3（100kHz0.2T），PL=aB2.00F1.46，
得出磁滞损耗系数a=19.54。LSAD3，满载工作频率30kHz，磁感应强度0.3T，磁芯单位体积损耗PL=252 kW/m3，
双EE70磁芯2*102 cm3，总损耗51.4W，占5000W输出功率的1.028%。
4.166%
6. 谐振电感损耗：
铜损：8匝，0.1mm线700股，5.495mm2，长度750mm，铜的电阻率为17.5x10-8，线包导线电阻2.39mΩ。
半桥LLC谐振电流有效值26.8A。线包铜损 = 26.8x26.8x2.39/1000=1.72W，占0.034%。
4.2%
以天通的TP4磁芯为例，磁导率2300，功率损耗650kW/m3（100kHz0.2T），PL=aB2.00F1.46，得出磁滞损耗系数a=19.54。
LSAD3，满载工作频率30kHz，磁感应强度0.3T，磁芯单位体积损耗PL=252 kW/m3，EE70磁芯102 cm3，
损耗25.7W，占5000W输出功率的0.514%。 4.714%

7. PCB线路的损耗不可忽略。35um厚，平均20mm宽，总长平均1500mm，12.5A电流的损耗是：58.59W，占1.17%。 5.884%
8. 辅助电源
7812：（18V-12V）*0.4A=2.4W
7805：（10V-5V）*0.1A=0.5W
20W*15%=3W
损耗：5.9W
风机：23.25W 总损耗：29.15W，占0.583% 6.467%

9. 电解电容：纹波电压0.4%*400V=1.6V，ESR大约100 mΩ，损耗25.6W
假定输入滤波损耗15W，谐振电容损耗15W，则总占比1.11% 7.577%

10. 熔断器损耗：

总计算损耗7.577%，计算效率92.4%，与实测比较接近。
实测的变压器铜损比计算值大，计算未考虑趋肤效应及其它杂散损耗；
实测的变压器铁损比计算值小，计算时所取的B值过大，实际励磁电流较小，B较小。

电解电容的损耗不容忽视，实测470uF400V2并2串，274 mΩ。

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| 发布时间：2017.04.18 来源：世纪电源

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