寫在前面

在開關(guān)電源這個行業(yè)干了十年了，做過的、熟悉的、了解的東西還比較多。這篇文章的內(nèi)容其實斷斷續(xù)續(xù)寫了很久，試著從多個角度寬泛而不深入的寫一下開關(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。分了幾點來談，但是內(nèi)容有所交叉，但愿讀完之后不會感覺很混亂。

為什么要做高頻開關(guān)電源

這里討論的電源其實是電源轉(zhuǎn)換電路。在開關(guān)電源蓬勃發(fā)展之前是工頻電源的時代，較低的頻率需要更大尺寸的變壓器和電感、電容等儲能元件。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。這是開關(guān)電源的優(yōu)勢。

而在實際的電源產(chǎn)品開發(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產(chǎn)品，是個需求問題，不是個設(shè)計問題。同時，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)團隊技術(shù)實力、過往經(jīng)驗、個人偏好的影響，涉及到研發(fā)項目的風(fēng)險——而如何控制風(fēng)險，又是個管理問題。

在這里，我只能把這些話題都拋開，單純的從技術(shù)角度簡單說一下電源開關(guān)頻率提高頻率的動機是什么——工程師選擇更高開關(guān)頻率，通常是為了降低體積。

開關(guān)電源中的磁原件體積占比很大，而磁原件的體積與開關(guān)頻率直接相關(guān)。在開關(guān)電源磁性元件的設(shè)計中，常使用AP（Area Product面積乘積）法來選擇磁芯尺寸，即根據(jù)預(yù)設(shè)的工作條件計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)（來自多個系數(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，對磁芯體積的需求是下降的。

顯然，提高開關(guān)頻率有助于降低開關(guān)電源磁元件的體積。 類似的，隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)電源中對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，一定程度上提高開關(guān)頻率，帶來的另一個收益是成本的下降。

現(xiàn)在的開關(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的幾個產(chǎn)品系列都已經(jīng)達到MHz的水平。

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

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

從kHz到MHz基本已涵蓋了常見開關(guān)電源的頻率。

開關(guān)電源頻率的限制條件之拓?fù)?/h2>

開關(guān)電源中存在以其開關(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)通與截止的切換過程無法立即完成，而是需要一個過渡時間。這個過渡時間導(dǎo)致了開關(guān)損耗。

功率半導(dǎo)體的開關(guān)損耗是開關(guān)電源工作頻率提高的一大障礙。在開關(guān)電源的拓?fù)渖?，通過選擇軟開關(guān)的拓?fù)鋪斫档烷_關(guān)損耗。

開關(guān)損耗是因為功率半導(dǎo)體元件在導(dǎo)通與截止的切換過程中，存在電壓、電流都比較大的一個過渡階段，這個過渡時間內(nèi)電壓與電流的乘積較大，即損耗功率較大。通過讓功率半導(dǎo)體元件在低電壓或低電流時經(jīng)歷這個過渡階段，就可以顯著降低其開關(guān)損耗，這就是軟開關(guān)技術(shù)。

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

這里先不展開講具體的拓?fù)?。工業(yè)界選擇軟開關(guān)拓?fù)湟越档烷_關(guān)損耗、提高工作頻率，同時必須接受這些拓?fù)涞囊恍┤秉c。比如LLC拓?fù)鋵﹄妷旱恼{(diào)節(jié)能力相對較差，移相全橋存在占空比丟失和次級二極管電壓應(yīng)力問題，ZVS反激需要額外的輔助開關(guān)和控制信號，等等。通常，軟開關(guān)電源產(chǎn)品的設(shè)計復(fù)雜度、成本都會有所上升。

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

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