寫(xiě)在前面

在開(kāi)關(guān)電源這個(gè)行業(yè)干了十年了，做過(guò)的、熟悉的、了解的東西還比較多。這篇文章的內(nèi)容其實(shí)斷斷續(xù)續(xù)寫(xiě)了很久，試著從多個(gè)角度寬泛而不深入的寫(xiě)一下開(kāi)關(guān)電源工作頻率受到的限制。結(jié)論性的內(nèi)容更多，論據(jù)較少，更適合電源行業(yè)的從業(yè)者閱讀。分了幾點(diǎn)來(lái)談，但是內(nèi)容有所交叉，但愿讀完之后不會(huì)感覺(jué)很混亂。

為什么要做高頻開(kāi)關(guān)電源

這里討論的電源其實(shí)是電源轉(zhuǎn)換電路。在開(kāi)關(guān)電源蓬勃發(fā)展之前是工頻電源的時(shí)代，較低的頻率需要更大尺寸的變壓器和電感、電容等儲(chǔ)能元件。這導(dǎo)致電源的體積較大，轉(zhuǎn)換效率也不高。

有了開(kāi)關(guān)電源之后，電源本身變得更復(fù)雜了，但是能夠?qū)⒆儔浩鞯墓ぷ黝l率顯著提高，也就顯著的降低了其體積和成本。這是開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)勢(shì)。

而在實(shí)際的電源產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，產(chǎn)品要做成什么樣的體積和成本，取決于如何定義這個(gè)產(chǎn)品，是個(gè)需求問(wèn)題，不是個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題。同時(shí)，產(chǎn)品技術(shù)方案（包括工作頻率）的選擇很大程度上還受研發(fā)團(tuán)隊(duì)技術(shù)實(shí)力、過(guò)往經(jīng)驗(yàn)、個(gè)人偏好的影響，涉及到研發(fā)項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)——而如何控制風(fēng)險(xiǎn)，又是個(gè)管理問(wèn)題。

在這里，我只能把這些話題都拋開(kāi)，單純的從技術(shù)角度簡(jiǎn)單說(shuō)一下電源開(kāi)關(guān)頻率提高頻率的動(dòng)機(jī)是什么——工程師選擇更高開(kāi)關(guān)頻率，通常是為了降低體積。

開(kāi)關(guān)電源中的磁原件體積占比很大，而磁原件的體積與開(kāi)關(guān)頻率直接相關(guān)。在開(kāi)關(guān)電源磁性元件的設(shè)計(jì)中，常使用AP（Area Product面積乘積）法來(lái)選擇磁芯尺寸，即根據(jù)預(yù)設(shè)的工作條件計(jì)算出磁芯有效截面積和窗口面積的乘積：

式中P為功率，k為綜合系數(shù)（來(lái)自多個(gè)系數(shù)的合并），B為最大工作磁通密度，f為工作頻率，J為磁元件繞組的電流密度。由公式可知，所需的磁元件的AP與頻率成反比，顯然隨工作頻率上升，對(duì)磁芯體積的需求是下降的。

顯然，提高開(kāi)關(guān)頻率有助于降低開(kāi)關(guān)電源磁元件的體積。 類似的，隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，開(kāi)關(guān)電源中對(duì)電容的容量需求也是下降的。

隨著變壓器電感體積的下降和電容容值的下降，這些元件的成本也隨之下降。那么，一定程度上提高開(kāi)關(guān)頻率，帶來(lái)的另一個(gè)收益是成本的下降。

現(xiàn)在的開(kāi)關(guān)電源頻率有多高

現(xiàn)在能在VRM、POL等幾類量產(chǎn)產(chǎn)品中看到工作頻率百kHz甚至1MHz以上的實(shí)例。比如有興趣可以到行業(yè)知名公司Vicor的網(wǎng)站上看一下他家的系列產(chǎn)品，包括IBC、PRM、VTM的幾個(gè)產(chǎn)品系列都已經(jīng)達(dá)到MHz的水平。

而中高壓、大功率開(kāi)關(guān)電源中工作頻率還是在幾十kHz這個(gè)水平，幾十到幾百kHz是常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)電源頻率。比如目前常見(jiàn)的手機(jī)充電器（適配器），包括手機(jī)的無(wú)線充電座，基本上頻率都在100kHz左右；一些中小型逆變電源，開(kāi)關(guān)頻率會(huì)在20kHz左右或更低。

很多百kW、MW級(jí)的電源（如感應(yīng)加熱）在使用SCR和IGBT，開(kāi)關(guān)頻率可能在10kHZ以下。

從kHz到MHz基本已涵蓋了常見(jiàn)開(kāi)關(guān)電源的頻率。

開(kāi)關(guān)電源頻率的限制條件之拓?fù)?/h2>

開(kāi)關(guān)電源中存在以其開(kāi)關(guān)頻率不斷切換導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)的功率器件。受物理特性的限制，這些器件在導(dǎo)通與截止的切換過(guò)程無(wú)法立即完成，而是需要一個(gè)過(guò)渡時(shí)間。這個(gè)過(guò)渡時(shí)間導(dǎo)致了開(kāi)關(guān)損耗。

功率半導(dǎo)體的開(kāi)關(guān)損耗是開(kāi)關(guān)電源工作頻率提高的一大障礙。在開(kāi)關(guān)電源的拓?fù)渖?，通過(guò)選擇軟開(kāi)關(guān)的拓?fù)鋪?lái)降低開(kāi)關(guān)損耗。

開(kāi)關(guān)損耗是因?yàn)楣β拾雽?dǎo)體元件在導(dǎo)通與截止的切換過(guò)程中，存在電壓、電流都比較大的一個(gè)過(guò)渡階段，這個(gè)過(guò)渡時(shí)間內(nèi)電壓與電流的乘積較大，即損耗功率較大。通過(guò)讓功率半導(dǎo)體元件在低電壓或低電流時(shí)經(jīng)歷這個(gè)過(guò)渡階段，就可以顯著降低其開(kāi)關(guān)損耗，這就是軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。

在高頻開(kāi)關(guān)電源中，軟開(kāi)關(guān)是由拓?fù)浜涂刂乒餐瑢?shí)現(xiàn)的。移相全橋、LLC拓?fù)涞膹V泛應(yīng)用都顯著的提高了開(kāi)關(guān)電源的工作頻率。經(jīng)典且常見(jiàn)的硬開(kāi)關(guān)拓?fù)淙绶醇る娫?，也通過(guò)增加輔助開(kāi)關(guān)和更復(fù)雜的控制實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)零電壓開(kāi)關(guān)（準(zhǔn)諧振控制）和完全的零電壓開(kāi)關(guān)（帶輔助開(kāi)關(guān)的ZVS反激）。

這里先不展開(kāi)講具體的拓?fù)?。工業(yè)界選擇軟開(kāi)關(guān)拓?fù)湟越档烷_(kāi)關(guān)損耗、提高工作頻率，同時(shí)必須接受這些拓?fù)涞囊恍┤秉c(diǎn)。比如LLC拓?fù)鋵?duì)電壓的調(diào)節(jié)能力相對(duì)較差，移相全橋存在占空比丟失和次級(jí)二極管電壓應(yīng)力問(wèn)題，ZVS反激需要額外的輔助開(kāi)關(guān)和控制信號(hào)，等等。通常，軟開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的設(shè)計(jì)復(fù)雜度、成本都會(huì)有所上升。

軟開(kāi)關(guān)拓?fù)涞陌l(fā)展將開(kāi)關(guān)頻率由20kHz左右推高到100kHz以上，開(kāi)關(guān)頻率仍然受功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)特性的限制。

（下節(jié)預(yù)告：高頻開(kāi)關(guān)電源中的功率半導(dǎo)體元件）