[任务] 开关电源兴趣小组第13次任务

maychang 2020-11-13 10:17 楼主

　　第12次思考题
　　本次活动要求阅读的《精通开关电源设计(第2版)》第3章3.2.5小节中给出的正激变换器变压器的设计例子中，变压器的损耗为3.131W，超出了原来2.26W的预计损耗，致使温升达到55℃，超过预定的40℃。该书也说：“不可否认，仍有优化的余地”。
　　如果要降低该变压器的损耗，你打算怎样修改设计？或者说打算怎样优化？
　　
　　要降低变压器的损耗，无非是降低变压器的铁损或者变压器的铜损。
　　要降低变压器的铁损，就要降低铁芯中的磁通密度，或者降低工作频率。降低工作频率，仍保持绕组电压不变，就要增加绕组匝数，同时增加滤波电感量和电容量。这显然不大现实。降低磁通密度，同样要增加绕组匝数。原设计次级绕组已经是两匝，绕组匝数又必须是整数，增加匝数就要增加到3匝，原边匝数也要同样比例地增加，这也不大现实(铁氧体磁芯窗口很可能绕不下)。更何况原设计铁损比铜损小(原设计铁损只占总损耗约三分之一)，减少铁损并不能使总损耗减少很多。
　　要降低铜损，只能是增加导线截面积。原设计次级是用铜箔，增加截面积可以用稍厚一些的铜箔。虽然增加铜箔厚度之后，铜箔中心处是电流密度最小的区域，增加铜箔厚度后交流电阻减少不多，但总归是减少。原设计是使用0.4625mm厚的铜箔，是比较厚也比较硬的。如果采用比较薄的铜箔，例如0.25mm厚甚至0.3mm厚的铜箔，两层叠绕(两层之间必须绝缘)，那就可以大为减少交流电阻，从而减少铜损。增加铜箔厚度或者两层绝缘薄铜箔叠绕的好处是只增加很少的绕组高度。另外，初级导线可以考虑用更多股导线(例如原书111页倒数第7行开始，把原边侧绕组分成5束，再细分3次)，这样当然可以减少交流电阻。但必须注意仔细计算铁氧体磁芯的窗口是否绕得下。
　　如果铁氧体磁芯窗口不允许增加导线直径或者股数，那么，要减少损耗就只能换更大一号的磁芯，重新设计。
　　
　　第12次活动，请各位阅读《图灵精通开关电源设计(第2版)》第7章“最优功率器件选择”和第8章“导通损耗和开关损耗”，以及《开关电源设计第三版》第9章“MOSFET和IGBT及其驱动电路”
　　现在已经几乎没有人再使用双极型大功率管来做开关电源了。原因主要是大功率双极型管速度比MOSFET慢得多，另外，双极型功率管还存在存储时间问题。而且双极型大功率管驱动比较困难，耐压比较高的双极型大功率管电流放大倍数往往只有不到10倍，如果集电极电流要求15A，那么基极电流可能需要2A。
　　不过《开关电源设计第三版》第8章仍然是“双极型大功率晶体管的基极驱动电路”。这本书出版比较早，英文是2009年出版，中文译本出版于2010年。各位若是有兴趣，不妨翻开该书第8章看看，其中图8.16很典型地说明了双极型功率管的驱动有多复杂。
　　最早的大功率双极型管开关电源，工作频率仅为20kHz，当时被称为“20kHz革命”，甚至只能做到15kHz。后经改进，即使是较小功率的开关电源最高也不过做到50kHz左右。
　　功率MOS管的出现，改变了这种状况。功率MOS管的延迟时间比双极型管小得多，所以速度较快。功率MOS管相比双极型功率管，没有二次击穿，导通电阻的温度系数为正(这两点是个相当大的优点，不过双极型功率管如今使用非常少，各位不必深究)。用功率MOS管制作的开关电源工作频率可以比双极型功率管制作的开关电源高得多。开关电源工作频率高，变压器、滤波电感、滤波电容就可以用比较小的铁芯、比较小的电感量和电容量，从而开关电源的体积重量都可以小得多。当然，不仅仅是功率MOS管，铁芯材料、电解电容介质材料、电解电容工艺……的进步，使得铁氧体磁芯的铁损减小，电解电容的损耗也减小很多。这些进步也使得开关电源工作频率可以大幅度提高，从而使得开关电源的体积重量比二十、三十年前小很多。不过，工作频率的提高也带来新的问题，主要是开关电源对交流电网和其它用电设备的干扰随工作频率的提高而变得严重，这也对开关电源的设计提出了更高的要求。
　　近年来，功率MOS管在电压容量(耐压)和电流容量上都取得了很大进步。功率MOS管的其它重要参数，例如开关速度、导通电阻、门极(栅极)电荷……等等也都改进了很多，速度越来越快，导通电阻越来越小，充分导通所需要的门极电荷也越来越小。这些都减少了功率MOS管的损耗，从而可以再把开关电源工作频率提高。
　　所以，目前中小功率开关电源往往都选择使用功率MOS管。至于IGBT，通常只有在功率比较大，功率MOS管已经不能胜任的场合才会选择使用，因为IGBT的电压容量尤其是电流容量比功率MOS管更大。
　　本次活动主要介绍功率开关管的选择。《开关电源设计第三版》第9章“MOSFET和IGBT及其驱动电路”虽然标题中有“驱动电路”，但实际上没有讲到多少驱动电路问题。驱动电路问题我们下次讨论。
　　　　
　　第13次思考题
　　本次活动主要介绍功率开关管的选择。假定某单端反激变换器已经给定交流市电整流滤波作为开关电源的输入，给定输出直流电压和电流。选择功率开关管电流容量时应该根据交流市电电压变化的最大值还是最小值来选择？选择功率开关管电压容量时应该根据交流市电电压变化的最大值还是最小值来选择？
　　
　　