Belangrijkste interne verliezen van schakelende voeding Om de efficiëntie van schakelende voeding te verbeteren, is het noodzakelijk om verschillende verliezen te onderscheiden en grofweg in te schatten. Het interne verlies van schakelende voeding kan grofweg in vier aspecten worden verdeeld: schakelverlies, geleidingsverlies, extra verlies en weerstandsverlies. Deze verliezen treden meestal gelijktijdig op in componenten met verlies, die hieronder afzonderlijk worden besproken. Belangrijkste interne verliezen van schakelende voeding Om de efficiëntie van schakelende voeding te verbeteren, is het noodzakelijk om verschillende verliezen te onderscheiden en grofweg te schatten. Het interne verlies van schakelende voeding kan grofweg in vier aspecten worden verdeeld: schakelverlies, geleidingsverlies, extra verlies en weerstandsverlies. Deze verliezen treden meestal gelijktijdig op in verliesgevende componenten, die hieronder afzonderlijk worden besproken.

Verliezen geassocieerd met stroomschakelaars

Aan/uit-schakelaar is een van de twee belangrijkste verliesbronnen in een typische schakelende voeding. Verlies kan in principe in twee delen worden verdeeld: geleidingsverlies en schakelverlies. Het geleidingsverlies is het verlies wanneer de stroomschakelaar zich in de geleidingstoestand bevindt nadat het stroomapparaat is ingeschakeld en de aandrijf- en schakelgolfvormen zijn gestabiliseerd. Schakelverlies is het verlies dat optreedt wanneer de aan/uit-schakelaar in een nieuwe werktoestand wordt gebracht en de aandrijf- en schakelgolfvormen zich in het overgangsproces bevinden. Deze fasen en hun golfvormen worden weergegeven in Figuur 1.

Het geleidingsverlies kan worden gemeten door het product van spannings- en stroomgolfvormen over de schakelaar. Deze golfvormen zijn allemaal bij benadering lineair, en het vermogensverlies tijdens geleiding wordt gegeven door formule (1).

De typische manier om dit verlies te beheersen is door de spanningsval tijdens de geleiding van de stroomschakelaar te minimaliseren. Om dit doel te bereiken moet de ontwerper de schakelaar in verzadiging laten werken. Deze omstandigheden worden gegeven door formule (2a) en formule (2b). Door basis- of poortoverstroomsturing wordt ervoor gezorgd dat de collector- of afvoerstroom wordt geregeld door externe componenten in plaats van door de aan/uit-schakelaar zelf.

Het schakelverlies tijdens het schakelen van stroom is ingewikkelder, wat zijn eigen factoren heeft en de invloed van gerelateerde componenten. De golfvorm die verband houdt met het verlies kan alleen worden waargenomen door een oscilloscoop met een spanningssonde aangesloten op de drain-source (collector-emitter) aansluiting, en een wisselstroomsonde kan de drain- of collectorstroom meten. Bij het meten van het onmiddellijke verlies van elke schakelaar moet een afgeschermde sonde met korte kabel worden gebruikt, omdat elke niet-afgeschermde draad met een lengte ruis van andere stroombronnen kan introduceren, en dus de ware golfvorm niet nauwkeurig kan worden weergegeven. Zodra een goede golfvorm is verkregen, kan het gebied dat wordt omsloten door deze twee curven grofweg worden berekend met behulp van de eenvoudige sommatiemethode voor driehoeken en rechthoeken. Bijvoorbeeld het inschakelverlies van fig. 1 kan worden berekend met vergelijking (3).

Dit resultaat is alleen de verlieswaarde van de aan/uit-schakelaar tijdens de aan-periode, en de totale verlieswaarde tijdens de aan-periode kan worden verkregen door de uit- en aan-verliezen bij elkaar op te tellen.

Verliezen geassocieerd met uitgangsgelijkrichter

In het totale interne verlies van een typische schakelende voeding met asynchrone gelijkrichter, is het verlies van de uitgangsgelijkrichter verantwoordelijk voor 40% -65% van het totale verlies. Het is dus erg belangrijk om dit gedeelte te begrijpen. De golfvormen gerelateerd aan de uitgangsgelijkrichter zijn te zien in figuur 2.

Gelijkrichterverlies kan ook in drie delen worden verdeeld: inschakelverlies, inschakelverlies en uitschakelverlies.

Het geleidingsverlies van de gelijkrichter is het verlies wanneer de gelijkrichter geleidt en de stroom- en spanningsgolfvormen stabiel zijn. Dit verlies wordt onderdrukt door de gelijkrichter te selecteren met de laagste doorlaatspanningsval bij een bepaalde stroom. Een PN-diode heeft een vlakkere doorlaatspanningskarakteristiek, maar de spanningsval is hoger (0.7 ~ 1.1 V). Een Schottky-diode heeft een lage omkeerspanning (0.3 ~ 0.6 V), maar de spanning-stroomkarakteristiek is niet te steil, wat betekent dat met toenemende stroom de gelijkspanning sneller toeneemt dan die van een PN-diode. Het overgangsproces in de golfvorm is gesegmenteerd in rechthoekige en driehoekige gebieden, en dit verlies kan worden berekend met formule (3).

Het is veel ingewikkelder om het schakelverlies van de uitgangsgelijkrichter te analyseren. De inherente kenmerken van de gelijkrichter zullen veel problemen veroorzaken in lokale circuits.

Tijdens de openingsperiode wordt het overgangsproces bepaald door de positieve herstelkarakteristieken van de gelijkrichterbuis. De hersteltijd tfrr is de tijd vanaf het moment dat de gelijkspanning over de diode wordt aangelegd tot het moment dat de doorlaatstroom begint te lopen. Voor een PN-diode met snel herstel is deze tijd 5 ~ 15 ns. Schottky-diodes vertonen soms een langere doorlaathersteltijd vanwege hun inherente hogere junctiecapaciteit. Hoewel dit verlies niet erg groot is, kan het andere problemen in de voeding veroorzaken. Tijdens de herstelperiode hebben de spoel en transformator geen grote belastingsimpedantie, terwijl de aan/uit-schakelaar of gelijkrichter nog steeds in de uit-stand staat, waardoor de opgeslagen energie oscilleert totdat de gelijkrichter uiteindelijk doorlaatstroom begint te laten lopen en het voedingssignaal vastklemt.

Op het moment van uitschakeling speelt de omgekeerde herstelkarakteristiek een belangrijke rol. Wanneer de omgekeerde spanning over de diode wordt aangelegd, wordt de omgekeerde herstelkarakteristiek van de PN-diode bepaald door de ladingsdragers in de junctie. Deze ladingsdragers met beperkte mobiliteit moeten vanuit de tegenovergestelde richting de junctie verlaten, waardoor de omgekeerde stroom door de diode stroomt. Het verlies dat hiermee gepaard gaat, kan groot zijn, omdat de omgekeerde spanning snel stijgt voordat de junctielading uitgeput is. De omgekeerde stroom wordt via de transformator gereflecteerd naar de primaire vermogensschakelaar, wat het verlies van de eindbuis vergroot. Neem figuur 1 als voorbeeld; u ziet de piekstroom tijdens de inschakelperiode.

Soortgelijke kenmerken van omgekeerd herstel zullen ook voorkomen in Schottky-hoogspanningsgelijkrichters. Deze kenmerken worden niet veroorzaakt door ladingsdragers, maar door de hoge junctiecapaciteit van deze Schottky-diodes. De zogenaamde Schottky-hoogspanningsdiode betekent dat de sperdoorslagspanning hoger is dan 60 V. Soortgelijke kenmerken van omgekeerd herstel zullen ook voorkomen in Schottky-hoogspanningsgelijkrichters. Deze kenmerken worden niet veroorzaakt door ladingsdragers, maar door de hoge junctiecapaciteit van deze Schottky-diodes. De zogenaamde Schottky-hoogspanningsdiode betekent dat de sperdoorslagspanning hoger is dan 60 V.

Verliezen gerelateerd aan filtercapaciteit

Ingangsfiltercondensatoren zijn niet de belangrijkste verliesbron van schakelende voedingen, hoewel ze grote invloed hebben op de levensduur van de voeding. Als de ingangscondensator niet correct is geselecteerd, kan de voeding het werkelijke hoge rendement niet bereiken. Ingangsfiltercondensatoren zijn niet de belangrijkste verliesbron van schakelende voedingen, hoewel ze grote invloed hebben op de levensduur van de voeding. Als de ingangscondensator niet correct is geselecteerd, kan de voeding het werkelijke hoge rendement niet bereiken.

Elke condensator heeft een kleine weerstand en inductie in serie met de condensator. De equivalente serieweerstand (ESR) en de equivalente serie-inductie (ESL) zijn parasitaire elementen die worden veroorzaakt door de structuur van de condensator, en ze verhinderen beide dat het externe signaal wordt toegepast op de interne condensator. Daarom presteert de condensator het beste bij gelijkstroom, maar zijn prestaties zullen veel slechter zijn bij de schakelfrequentie van de voeding.

De ingangscondensator is de enige bron (of opslagplaats) van hoogfrequente stroom die wordt gegenereerd door een stroomschakelaar of uitgangsgelijkrichter, dus de stroom die door de ESR van deze condensatoren vloeit, kan redelijkerwijs worden bepaald door deze stroomgolfvormen te observeren. Deze stroom genereert onvermijdelijk warmte in de condensator. De belangrijkste taak bij het ontwerpen van de filtercondensator is ervoor te zorgen dat de interne warmte van de condensator laag genoeg is om de levensduur van het product te garanderen. Vergelijking (4) geeft de berekeningsformule van vermogensverlies veroorzaakt door ESR van de condensator.

Niet alleen het weerstandsgedeelte van het condensatormodel zal problemen veroorzaken, maar ook als de voedingsdraden van parallelle condensatoren asymmetrisch zijn, zal de inductantie van de voedingsdraad de interne verwarming van de condensator uit balans brengen, waardoor de levensduur van de condensator met de hoogste temperatuur wordt verkort. .

aanvullend verlies

Het extra verlies houdt verband met alle functionele apparaten die nodig zijn om het stroomcircuit te laten werken, inclusief de circuits die verband houden met het besturings-IC en de feedbackcircuits. Vergeleken met andere verliezen in de stroomvoorziening zijn deze verliezen over het algemeen klein, maar er kan een analyse worden gemaakt om te zien of er enige mogelijkheid tot verbetering is. Het extra verlies houdt verband met alle functionele apparaten die nodig zijn om het stroomcircuit te laten draaien, inclusief de circuits gerelateerd aan het besturings-IC en de feedbackcircuits. Vergeleken met andere verliezen in de stroomvoorziening zijn deze verliezen over het algemeen klein, maar er kan wel een analyse worden gemaakt om te zien of er enige mogelijkheid tot verbetering is.

Start eerst het circuit. Het startcircuit verkrijgt gelijkstroom uit de ingangsspanning, zodat het besturings-IC en het stuurcircuit voldoende energie hebben om de voeding te starten. Als dit opstartcircuit de stroom niet kan afsluiten nadat de stroom is ingeschakeld, heeft het circuit een continu verlies van maximaal 3 W, en het verlies is afhankelijk van de ingangsspanning.

Het tweede hoofdaspect is het aandrijfcircuit van de stroomschakelaar. Als voor de vermogensschakelaar een bipolaire vermogenstransistor wordt gebruikt, moet de basisstuurstroom groter zijn dan de piekstroom van de collector E van de transistor gedeeld door de versterking (hFE). De typische versterking van de vermogenstransistor ligt tussen 5 en 15, wat betekent dat als het een piekstroom van 10A is, deze een basisstroom van 0.66 ~ 2A nodig heeft. Er is een spanningsval van 0.7V tussen de basis en de emitter. Als de basisstroom niet wordt verkregen uit een spanning die zeer dicht bij 0.7 V ligt, zal er een groot verlies optreden.

Het aandrijfrendement van een vermogens-MOSFET is hoger dan dat van een bipolaire vermogenstransistor. De gate van een MOSFET heeft twee equivalente condensatoren die verbonden zijn met de drain en source, namelijk de gate-sourcecondensator Ciss en de drain-sourcecondensator Crss. Het verlies van de gate-aansturing van een MOSFET wordt veroorzaakt door het opladen van de gatecondensator met hulpspanning wanneer de MOSFET is ingeschakeld, en het ontladen naar aarde wanneer de MOSFET is uitgeschakeld. De berekening van het gateverlies wordt gegeven door vergelijking (5).

Om dit verlies te compenseren, kan er niet veel gedaan worden, behalve het selecteren van een MOSFET met lagere Ciss- en Crss-waarden, zodat de maximale gate-stuurspanning enigszins verlaagd kan worden.

Verliezen geassocieerd met magnetische elementen

Voor algemene ontwerpingenieurs is dit onderdeel erg ingewikkeld. Vanwege de bijzonderheid van de terminologie van magnetische elementen, worden de volgende verliezen voornamelijk weergegeven door de fabrikanten van magnetische kernen in de vorm van grafieken, wat erg handig in gebruik is. Deze verliezen worden hier vermeld, zodat mensen de aard van de verliezen kunnen beoordelen.

Er zijn drie belangrijke verliezen gerelateerd aan transformatoren en inductoren: hysteresisverlies, wervelstroomverlies en weerstandsverlies. Deze verliezen kunnen worden beheerst bij het ontwerpen en bouwen van transformatoren en inductoren.

Het hysteresisverlies houdt verband met het aantal windingen en de rijmodus. Het bepaalt het gebied dat in elke werkcyclus in de BH-curve wordt geveegd. Het bestreken gebied is het werk dat wordt verricht door de magnetische veldkracht, die de magnetische domeinen in de magnetische kern herschikt. Hoe groter het geveegde oppervlak, hoe groter het hysteresisverlies. Het verlies wordt gegeven door vergelijking (6).

Zoals uit de formule blijkt, is het verlies evenredig met het kwadratisch van de werkfrequentie en de maximale magnetische werkfluxdichtheid. Hoewel dit verlies niet zo groot is als het verlies in de stroomschakelaar en de gelijkrichter, zal een onjuiste behandeling ook een probleem worden. Bij 100 kHz moet Bmax worden ingesteld op 50% van de verzadigingsmagnetische fluxdichtheid Bsat van het materiaal. Bij 500 kHz moet Bmax worden ingesteld op 25% van de verzadigingsmagnetische fluxdichtheid Bsat van het materiaal. Bij 1 MHz moet Bmax worden ingesteld op 10% van de magnetische fluxdichtheid Bsat van de materiaalverzadiging. Dit wordt bepaald door de eigenschappen van ferromagnetische materialen in schakelende voedingen (3C8, etc.).

Het wervelstroomverlies is veel kleiner dan het hysteresisverlies, maar neemt snel toe met de toename van de werkfrequentie, zoals weergegeven in vergelijking (7).

Wervelstroom is een circulatiestroom die in een groot bereik in de magnetische kern wordt geïnduceerd in een sterk magnetisch veld. Over het algemeen hebben ontwerpers niet veel manieren om dit verlies te verminderen. Wervelstroom is een circulatiestroom die in een groot bereik in de magnetische kern wordt geïnduceerd in een sterk magnetisch veld. Over het algemeen hebben ontwerpers niet veel manieren om dit verlies te verminderen.

Weerstandsverlies is het verlies dat wordt veroorzaakt door de weerstand van de interne wikkeling van een transformator of inductor. Er zijn twee vormen van weerstandsverlies: DC-weerstandsverlies en skin-effectweerstandsverlies. Het DC-weerstandsverlies wordt bepaald door het product van de weerstand van de wikkeldraad en het kwadraat van de effectieve waarde van de stroom die er doorheen vloeit. Het skin-effect wordt veroorzaakt door het sterke elektromagnetische wisselstroomveld in de geleider, en de stroom in het midden van de geleider wordt naar het oppervlak van de geleider geduwd, waardoor de weerstand van de geleider feitelijk toeneemt. De stroom vloeit in een kleiner gedeelte, waardoor de effectieve diameter van de geleider kleiner lijkt. Vergelijking (8) geeft de berekeningsformule van deze twee verliezen in één uitdrukking.

Lekinductie (weergegeven door een kleine inductantie die in serie is verbonden met de wikkeling) zorgt ervoor dat een deel van de magnetische flux in de omringende lucht en materialen lekt zonder in elkaar te grijpen met de magnetische kern. De kenmerken ervan worden niet beïnvloed door de bijbehorende transformator of inductantie, dus de reflectie-impedantie van de wikkeling heeft geen invloed op de prestaties van lekinductantie.

Lekkage zal een probleem veroorzaken omdat het geen stroom overbrengt naar de belasting, maar oscillerende energie genereert in de omringende elementen. Bij het structurele ontwerp van de transformator en de inductor moet de lekinductie van de wikkeling worden geregeld. De lekinductiewaarde van elk zal verschillend zijn, maar kan worden geregeld tot een bepaalde nominale waarde.

Enkele algemene vuistregels om de lekinductantie van de wikkeling te verminderen zijn: het verlengen van de lengte van de wikkeling, dichter bij de magnetische kern komen, nauwe koppelingstechnologie tussen wikkelingen en vergelijkbare windingsverhoudingen (zoals dichtbij L: 1). Voor de EE-kern die gewoonlijk in DC-DC-omzetters wordt gebruikt, bedraagt ​​de geschatte lekinductantie 3% ~ 5% van de wikkelinductantie. In een offline-omzetter kan de lekinductantie van de primaire wikkeling oplopen tot 12% van de wikkelinductie, als de transformator aan strenge veiligheidsvoorschriften moet voldoen. De tape die wordt gebruikt om de wikkeling te isoleren, maakt de wikkeling korter en houdt deze uit de buurt van de magnetische kern en andere wikkelingen.

Later zal blijken dat het extra verlies veroorzaakt door lekinductantie kan worden benut.

Bij de toepassing van DC-magneet is er meestal een luchtspleet langs het magnetische circuit van de magnetische kern. In een ferrietkern bevindt de luchtspleet zich in het midden van de kern en stroomt de magnetische flux van het ene uiteinde van de kern naar het andere, hoewel de magnetische lijnen zich vanuit het midden van de kern zullen verspreiden. Het bestaan ​​van een luchtspleet creëert een dicht magnetisch fluxgebied, dat een wervelstroom in de metalen delen nabij de spoel of luchtspleet zal veroorzaken. Dit verlies is doorgaans niet groot, maar wel lastig vast te stellen.

Overzicht van de belangrijkste parasitaire parameters in de stroomvoorziening

Parasitaire parameters zijn onverwachte elektrische kenmerken van de feitelijke componenten in het circuit. Ze slaan over het algemeen energie op en reageren op hun eigen componenten om geluid en verlies te produceren. Het is een grote uitdaging voor ontwerpers om deze bijwerkingen te onderscheiden, kwantificeren, verminderen of benutten.

In het geval van communicatie zijn de parasitaire kenmerken duidelijker. Er zijn twee hoofdknooppunten met een grote AC-waarde in een typische schakelende voeding, de eerste is de collector of afvoer van de aan / uit-schakelaar; De tweede is de anode van de uitgangsgelijkrichter. We moeten ons concentreren op deze twee speciale knooppunten.

Belangrijkste parasitaire parameters in de converter

In alle schakelende voedingen komen enkele gemeenschappelijke parasitaire parameters voor, waarvan de invloed duidelijk zichtbaar is bij het observeren van de golfvormen van de belangrijkste AC-knooppunten in de omvormer. Sommige gegevens van apparaten vermelden deze parameters zelfs, zoals de parasitaire capaciteit van de MOSFET. De belangrijkste parasitaire parameters van twee veelgebruikte omvormers worden weergegeven in Figuur 3.

Sommige parasitaire parameters zijn duidelijk gedefinieerd, zoals de capaciteit van de MOSFET, terwijl andere discrete parasitaire parameters kunnen worden uitgedrukt als samengevoegde parameters, wat modellering vergemakkelijkt. Het is erg moeilijk om de waarden van parasitaire parameters te bepalen die niet duidelijk gedefinieerd zijn, en ze worden meestal bepaald door een empirische waarde. Met andere woorden, bij het ontwerpen van softswitches moet de selectie van componenten gebaseerd zijn op het principe van het verkrijgen van de beste resultaten. In het schakelschema is het erg belangrijk om parasitaire elementen op de juiste plaatsen te plaatsen, omdat de elektrische tak slechts gedurende een deel van de werktijd van de omvormer werkt. Zo zal de junctiecapaciteit van de gelijkrichter alleen groot zijn wanneer de gelijkrichter in de sperrichting is voorgespannen, maar zal deze verdwijnen wanneer de diode in de doorlaatrichting is voorgespannen. Tabel L geeft een overzicht van enkele parasitaire parameters die eenvoudig te bepalen zijn, de componenten die deze parameters genereren en het geschatte bereik van deze waarden. Sommige speciale parasitaire parameterwaarden kunnen worden verkregen uit de gegevens van specifieke componenten.

De invloed van printplaten (PCB's) op parasitaire parameters is overal aanwezig, en goede PCB-lay-outregels kunnen deze invloeden minimaliseren.

Gedrukte lijnen met piekstroom zijn gevoelig voor inductantie en capaciteit die door elke gedrukte lijn worden gegenereerd, dus deze lijnen moeten kort en dik zijn. PCB-soldeerverbindingen met AC-hoogspanning, zoals afvoer of collector van stroomschakelaar of anode van gelijkrichtbuis, zijn eenvoudig te genereren koppelcapaciteit met aangrenzende gedrukte lijnen, zodat AC-ruis wordt gekoppeld in aangrenzende gedrukte lijnen. Via de "via"-verbinding kan hetzelfde signaal door de bovenste en onderste lagen van de AC-signaalprintplaat stromen. De invloed van andere parasitaire parameters kan doorgaans worden toegeschreven aan aangrenzende parasitaire elementen.

Het kennen van de aard van parasitaire parameters op elk onderdeel van een typische converter zal helpen bij het bepalen van de parameters van magnetische componenten, ontwerp-PCB's, ontwerp-EMI-filters, enz. Dit is het moeilijkste deel van alle ontwerpen van schakelende voedingen.