影響電源效率提升的主要損耗

效率一直以來都是電源領域的研究重點，尤其在一些小體積高功率密度的電源系統(tǒng)中尤為重要。比如，適配器電源、模塊電源、服務器用電源等。近年來，第三代GaN半導體的廣泛應用，以及功率管開關頻率的提高，使得電源的體積進一步縮小。要在有限的體積及溫升范圍內正常工作，這就對系統(tǒng)的效率提出了更高的要求。影響系統(tǒng)效率的主要損耗有功率管導通損耗、開關損耗、續(xù)流損耗、變壓器銅損和磁損、二極管整流損耗、驅動、采樣及控制電路損耗等。下面針對每一種損耗簡單說下自己的理解和分析。

1）功率管導通損耗

功率管導通損耗與功率管的導通阻抗和流過功率管的電流有關。降低功率管的導通損耗，一方面可以選擇導通電阻更小的功率器件，比如用GaN替代MOSFET。另一方方面，可以想方設法降低流過功率管的電流有效值。

降低電流的有效值可以從控制和電路參數(shù)兩方面入手。從控制上，可以通過降低電感電流的峰值或平均值入手降低有效值，比如目前流行的四開關Buck-Boost或ACF中，通過固定谷值電流值，調節(jié)峰值的方法實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定。從參數(shù)，可以通過調節(jié)電感值或者諧振電容值，降低電流有效值。比如，LLC諧振變換器中的雙諧振電容。需要注意的是，增大電感值雖然可以降低電流紋波，但是可能需要更大的開關周期才能傳輸相同的功率，這無形中會增大磁性元件及系統(tǒng)的體積。

2）開關損耗及續(xù)流損耗

功率管的開關損耗分為開啟損耗和關斷損耗。當采用GaN功率管時，開啟損耗往往大于關斷損耗。降低功率管的開啟損耗，目前常用的方法是采用準諧振拓撲或全軟開關拓撲。功率管實現(xiàn)軟開關的精髓在于導通之前存在體二極管的續(xù)流電流。雖然通過軟開關可以降低開啟損耗，但是需要注意的是死區(qū)時間的設置。死區(qū)太小，軟開關可能無法完全實現(xiàn)；死區(qū)太大，體二極管續(xù)流損耗較大，得不償失，。因此，目前控制芯片常常采用自適應死區(qū)的方式去控制死區(qū)時間的大小。在采用負壓關斷的GaN器件中，由于反向導通電壓更大，需要更加注意這個問題。

對于功率管的關斷損耗，可以采用一些能夠實現(xiàn)ZCS關斷的輔助電路?；蛘撸ㄟ^降低功率管關斷前的電流也能降低關斷損耗。比如LLC中較大的勵磁電感，可以實現(xiàn)較小的死區(qū)電流，這樣關斷損耗也更小。

3）變壓器的銅損和磁損

變壓器的銅損和功率管的導通損耗一樣，都與流過的電流和阻抗有關。減小電流的方法類似。降低變壓器的導通阻抗就是降低繞組的直流電阻和交流電阻。減小直流電阻，最直接的方式就是避免過長的繞組長度。在平面變壓器中，如果一層雙匝，還可以通過增大外匝減小內匝寬度的方法降低直流電阻。

交流電阻的大小與繞組的繞制方式有關。一般來說，順序繞制方式要大于交錯型的繞制方式。因此，多采用三明治結構的繞組，可以有效的降低交流電阻。

變壓器的磁損是感應電流在磁芯上產生的損耗，包括渦流損耗和磁滯損耗。渦流損耗取決于鐵磁材料的電導率，與激磁電流工作頻率的平方成正比，與磁通密度大小的平方成正比。磁滯損耗就是磁滯回線包圍的面積，與激磁電流的工作頻率成正比，也與磁通密度大小的平方成正比。因此，降低磁損可以通過降低頻率和磁通密度來實現(xiàn)。但是降低頻率增大磁芯體積，降低磁通密度需要增大匝數(shù)，在實際使用中需要折中處理。

4）二極管整流損耗

二極管整流與流過二極管的電流和兩端電壓有關。在電路參數(shù)確定的情況下，電流較難改變。因此，可以通過正向壓降較小的二極管降低整流損耗。目前，由于具有更小的導通阻抗和導通壓降，常用功率管代替二極管實現(xiàn)整流功能。通過控制功率管的開通和關斷，實現(xiàn)和二極管相同的功能。比如圖騰柱PFC，同步整流控制等。在圖騰柱PFC等整流電路中，主要考慮的損耗開關損耗及死區(qū)損耗是否能夠有效降低。在同步整流控制中，目前常采用的方案是通過檢測Vds電壓實現(xiàn)功率管的開通關斷。難點在于如何降低開通之前和關斷之后體二極管續(xù)流時間，以及高頻下寄生電感帶來的關斷點提前的問題。目前論文中常見的自適應方式往往需要復雜的電路及控制算法才能實現(xiàn)。

5）驅動、采樣及控制電路損耗

驅動損耗與功率管的驅動電阻、電荷Qg及開關頻率有關。降低驅動損耗可以通過選擇較小Qg的功率管，比如GaN器件?；蛘?，通過降低開關頻率實現(xiàn)。在實際設計過程中，盡可能的選擇高度集成的控制器，可以有效的降低該部分損耗。

損耗的降低及效率的提高，主要是為了能夠使系統(tǒng)的熱量能夠在有限的體積中釋放出去，有關電源系統(tǒng)功率密度的提升將在一次分享。

該部分內容比較粗糙，僅為自己的一點總結思考。