【每日分享】技术文章：设计一个电源，拓扑选择技巧（二）

电源

开关频率和占空比的实际限制多少?

1、开关频率

在设计变换器时，首先要选择开关频率。提高频率的主要目的是减少电源的体积和重量。而占电源体积和重量最大的是磁性元件。现代开关电源中磁性元器件占开关电源的体积（20%～30%），重量（30%～40%），损耗20%～30%。根据电磁感应定律有：

式中U－变压器施加的电压；N－线圈匝数；A－磁芯截面积；ΔB－磁通密度变化量；f－变压器工作频率。

在频率较低时，ΔB受磁性材料饱和限制。由上式可见，当U一定时，要使得磁芯体积减少，匝数和磁芯截面积乘积与频率成反比，提高频率是减少电源体积的主要措施。这是开关电源出现以来无数科技工作者主要研究课题。
但是能否无限制提高开关电源频率？非也。主要有两个限制因素：第一是磁性材料的损耗。高频时一般采用铁氧体，其单位体积损耗表示为：
式中η－不同材料的系数；f－工作频率；Bm－工作磁感应幅值。α和β分别为大于1的频率和磁感应损耗指数。一般α＝1.2～1.7；β=2～2.7。频率提高损耗加大，为减少损耗，高频时，降低磁感应Bm使得损耗不太大，违背了减少体积的目的。否则损耗太大，效率降低。再者，磁芯处理功率越大，体积越大散热条件越差，大功率磁芯也限制开关频率。

其次，功率器件开关损耗限制。以Buck变换器为例来说明开关损耗。图2是典型的电流连续Buck变换器功率管电流电压波形图。可以看到，晶体管开通时，集电极电流上升到最大值时集电极电压才开始下降。关断时，集电极电压首先上升到最大值集电极电流才开始下降。假定电压、电流上升和下降都是线性的。可以得到开关损耗为：

式中tr=tri trv—开通时电流上升时间与电压下降时间之和；td=tdi tdv—关断时电压上升时间与电流下降时间之和。一般tr td 如果电流断续，只有关断损耗。

可见，开关损耗与频率、开关时间成正比。断续似乎比连续开关损耗少一半，但应当注意，在同样输出功率时，功率管电流至少是电流连续时的一倍，除了器件电流定额加大，成本增加外，导通压降损耗也增加。滤波电感磁芯工作在正激变压器状态，磁芯和线圈高频损耗也将大大增加。虽然，通过软开关技术可以减少开关损耗，但请注意，软开关总是利用LC谐振，谐振电流（或电压）很大，谐振电流通过晶体管、电感L和电容C，这些元器件也是有损耗的。有时只提高效率1～2％，但电路复杂，元件数增多，成本增加，有时甚至得不偿失。

目前用MOSFET开关的电源，功率在5kW以下，工作频率一般在200kHz以下。BJT最高达50kHz。3kW以上采用IGBT的最高30kHz。用MOSFET与IGBT（BJT）组合管最高也不超过100kHz。变换功率几十瓦，当然工作频率可以提高。

此外，变换功率越大，电流电压越大，如果大功率管与小功率管相同的电流上升和下降速率，大功率管需要更长的开关时间。何况大功率器件芯片面积大，为避免电流集中降低开关时电流升降速率也增加了开关时间。可见，变换功率越大，允许开关频率越低。