Các tổn thất bên trong chính của nguồn điện chuyển mạch Để nâng cao hiệu quả của việc cung cấp điện chuyển mạch, cần phân biệt và ước tính đại khái các tổn thất khác nhau. Tổn hao bên trong của nguồn điện chuyển mạch có thể được chia đại khái thành bốn khía cạnh: tổn thất chuyển mạch, tổn thất dẫn điện, tổn thất bổ sung và tổn thất điện trở. Những tổn thất này thường xảy ra đồng thời ở các thành phần bị tổn hao, sẽ được thảo luận riêng bên dưới. Các tổn thất bên trong chính của nguồn điện chuyển mạch Để nâng cao hiệu quả của nguồn điện chuyển mạch, cần phân biệt và ước tính đại khái các tổn thất khác nhau. Tổn hao bên trong của nguồn điện chuyển mạch có thể được chia đại khái thành bốn khía cạnh: tổn thất chuyển mạch, tổn thất dẫn điện, tổn thất bổ sung và tổn thất điện trở. Những tổn hao này thường xảy ra đồng thời trong các thành phần tổn hao, điều này sẽ được thảo luận riêng dưới đây.

Tổn thất liên quan đến công tắc nguồn

Công tắc nguồn là một trong hai nguồn tổn thất chính trong nguồn điện chuyển mạch thông thường. Về cơ bản, tổn hao có thể được chia thành hai phần: tổn hao dẫn và tổn hao chuyển mạch. Tổn thất dẫn điện là tổn thất khi công tắc nguồn ở trạng thái dẫn điện sau khi bật thiết bị nguồn và dạng sóng điều khiển và chuyển mạch đã ổn định. Mất mát chuyển mạch là tổn thất xảy ra khi công tắc nguồn được chuyển sang trạng thái làm việc mới và các dạng sóng điều khiển và chuyển mạch đang trong quá trình chuyển đổi. Các giai đoạn này và dạng sóng của chúng được thể hiện trong Hình 1.

Tổn hao dẫn điện có thể được đo bằng tích của dạng sóng điện áp và dòng điện qua công tắc. Các dạng sóng này đều gần như tuyến tính và tổn thất điện năng trong quá trình dẫn truyền được tính theo Công thức (1).

Cách điển hình để kiểm soát tổn thất này là giảm thiểu sụt áp trong quá trình dẫn điện của công tắc nguồn. Để đạt được mục tiêu này, người thiết kế phải làm cho công tắc hoạt động ở trạng thái bão hòa. Các điều kiện này được cho bởi Công thức (2a) và Công thức (2b). Thông qua việc điều khiển quá dòng cơ sở hoặc cổng, đảm bảo rằng bộ thu hoặc dòng xả được điều khiển bởi các bộ phận bên ngoài thay vì chính công tắc nguồn.

Tổn thất chuyển mạch trong quá trình chuyển đổi nguồn phức tạp hơn, có yếu tố riêng và ảnh hưởng của các thành phần liên quan. Dạng sóng liên quan đến tổn thất chỉ có thể được quan sát bằng máy hiện sóng có đầu dò điện áp được kết nối với cực nguồn (cực thu-cực phát) và đầu dò dòng điện xoay chiều có thể đo dòng cực máng hoặc cực thu. Khi đo tổn thất tức thời của mỗi công tắc, phải sử dụng đầu dò dây dẫn ngắn được che chắn vì bất kỳ dây dẫn không được che chắn nào có chiều dài đều có thể gây ra nhiễu từ các nguồn điện khác và do đó dạng sóng thực không thể được hiển thị chính xác. Sau khi thu được dạng sóng tốt, diện tích được bao quanh bởi hai đường cong này có thể được tính toán đại khái bằng phương pháp tính tổng tiểu phần hình tam giác và hình chữ nhật đơn giản. Ví dụ: mất bật của fig. 1 có thể được tính theo phương trình (3).

Kết quả này chỉ là giá trị tổn thất của công tắc nguồn trong thời gian bật và tổng giá trị tổn thất trong thời gian bật có thể thu được bằng cách cộng các tổn thất tắt và bật.

Tổn thất liên quan đến bộ chỉnh lưu đầu ra

Trong tổng tổn thất bên trong của nguồn điện chuyển mạch chỉnh lưu không đồng bộ điển hình, tổn thất của bộ chỉnh lưu đầu ra chiếm 40% -65% tổng tổn thất. Vì vậy, điều rất quan trọng là phải hiểu phần này. Các dạng sóng liên quan đến bộ chỉnh lưu đầu ra có thể được nhìn thấy trong Hình 2.

Tổn hao chỉnh lưu cũng có thể được chia thành ba phần: tổn hao khi bật, tổn hao khi bật và tổn hao khi tắt.

Tổn thất dẫn của bộ chỉnh lưu là tổn thất khi bộ chỉnh lưu đang dẫn điện và dạng sóng dòng điện và điện áp ổn định. Sự mất mát này được ngăn chặn bằng cách chọn bộ chỉnh lưu có điện áp chuyển tiếp giảm thấp nhất khi có dòng điện nhất định chạy qua. Diode PN có đặc tính VI phẳng hơn về phía trước, nhưng điện áp rơi của nó cao hơn (0.7 ~ 1.1V). Diode Schottky có điện áp quay thấp (0.3 ~ 0.6V), nhưng đặc tính điện áp-dòng điện của nó không quá dốc, nghĩa là khi dòng điện tăng, điện áp một chiều của nó tăng nhanh hơn so với diode PN. Quá trình chuyển tiếp trong dạng sóng được phân thành các vùng hình chữ nhật và hình tam giác và sự mất mát này có thể được tính theo công thức (3).

Việc phân tích tổn thất chuyển mạch của bộ chỉnh lưu đầu ra phức tạp hơn nhiều. Đặc tính vốn có của bộ chỉnh lưu sẽ gây ra nhiều vấn đề trong mạch điện cục bộ.

Trong thời gian mở, quá trình chuyển tiếp được xác định bởi đặc tính phục hồi tích cực của ống chỉnh lưu. Thời gian phục hồi tfrr là thời gian kể từ khi đặt điện áp một chiều lên diode cho đến khi dòng điện thuận bắt đầu chạy. Đối với diode phục hồi nhanh PN, thời gian này là 5 ~ 15 ns. Điốt Schottky đôi khi có thời gian phục hồi về phía trước lâu hơn do điện dung tiếp giáp vốn có của chúng cao hơn. Mặc dù tổn thất này không lớn lắm nhưng nó có thể gây ra các vấn đề khác bên trong bộ nguồn. Trong thời gian phục hồi, cuộn cảm và máy biến áp không có trở kháng tải lớn, trong khi công tắc nguồn hoặc bộ chỉnh lưu vẫn ở trạng thái tắt, khiến năng lượng tích trữ dao động cho đến khi bộ chỉnh lưu cuối cùng bắt đầu chuyển dòng điện về phía trước và kẹp tín hiệu nguồn.

Tại thời điểm tắt, đặc tính phục hồi ngược đóng vai trò chính. Khi đặt điện áp ngược lên diode, đặc tính phục hồi ngược của diode PN được xác định bởi các sóng mang trong điểm nối. Những sóng mang này có khả năng di chuyển hạn chế cần phải đi ra ngoài từ hướng ngược lại với hướng ban đầu chúng đi vào điểm nối, do đó tạo thành dòng điện ngược chạy qua diode. Tổn thất liên quan đến điều này có thể rất lớn, vì trước khi hết điện tích ở điểm nối, điện áp ngược sẽ tăng nhanh và dòng điện ngược sẽ phản xạ tới công tắc nguồn sơ cấp qua máy biến áp, điều này sẽ làm tăng tổn thất của ống nguồn. Lấy Hình 1 làm ví dụ, bạn có thể thấy dòng điện cực đại trong thời gian bật.

Đặc tính phục hồi ngược tương tự cũng sẽ xuất hiện trong các bộ chỉnh lưu Schottky điện áp cao. Đặc tính này không phải do sóng mang gây ra mà do điện dung tiếp giáp cao của các điốt Schottky này. Cái gọi là diode Schottky điện áp cao có nghĩa là điện áp đánh thủng ngược của nó lớn hơn 60V. Các đặc tính phục hồi ngược tương tự cũng sẽ xuất hiện trong các bộ chỉnh lưu Schottky điện áp cao. Đặc tính này không phải do sóng mang gây ra mà do điện dung tiếp giáp cao của các điốt Schottky này. Cái gọi là diode Schottky điện áp cao có nghĩa là điện áp đánh thủng ngược của nó lớn hơn 60V.

Tổn thất liên quan đến điện dung của bộ lọc

Tụ lọc đầu vào không phải là nguồn gây tổn thất chính của nguồn điện chuyển mạch, mặc dù chúng có ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ làm việc của nguồn điện. Nếu tụ điện đầu vào không được chọn chính xác, bộ nguồn không thể đạt được hiệu suất cao thực tế. Tụ lọc đầu vào không phải là nguồn tổn thất chính của nguồn điện chuyển mạch, mặc dù chúng có ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ làm việc của bộ nguồn. Nếu tụ điện đầu vào không được chọn chính xác, bộ nguồn không thể đạt được hiệu suất cao thực tế.

Mỗi tụ điện có điện trở và độ tự cảm nhỏ mắc nối tiếp với tụ điện. Điện trở nối tiếp tương đương (ESR) và độ tự cảm nối tiếp tương đương (ESL) là các phần tử ký sinh do cấu trúc của tụ điện gây ra và cả hai đều cản trở tín hiệu bên ngoài truyền vào tụ điện bên trong. Do đó, tụ điện có hiệu suất tốt nhất khi làm việc ở nguồn DC, nhưng hiệu suất của nó sẽ kém hơn nhiều ở tần số chuyển mạch của nguồn điện.

Tụ điện đầu vào là nguồn (hoặc nơi lưu trữ) duy nhất của dòng điện tần số cao được tạo ra bởi công tắc nguồn hoặc bộ chỉnh lưu đầu ra, do đó dòng điện chạy qua ESR của các tụ điện này có thể được xác định một cách hợp lý bằng cách quan sát các dạng sóng dòng điện này. Dòng điện này chắc chắn sẽ tạo ra nhiệt trong tụ điện. Nhiệm vụ chính của việc thiết kế tụ lọc là đảm bảo nhiệt lượng bên trong của tụ đủ thấp để đảm bảo tuổi thọ của sản phẩm. Phương trình (4) đưa ra công thức tính tổn thất điện năng do ESR của tụ điện gây ra.

Không chỉ phần điện trở của mô hình tụ điện sẽ gây ra sự cố mà nếu dây dẫn của tụ điện song song không đối xứng thì độ tự cảm của dây dẫn sẽ làm cho nhiệt độ bên trong của tụ điện không cân bằng, từ đó rút ngắn tuổi thọ của tụ điện có nhiệt độ cao nhất. .

tổn thất bổ sung

Tổn thất bổ sung liên quan đến tất cả các thiết bị chức năng cần thiết để chạy mạch điện, bao gồm các mạch liên quan đến IC điều khiển và mạch phản hồi. So với các tổn thất khác của nguồn điện, những tổn thất này nhìn chung nhỏ nhưng có thể thực hiện một số phân tích để xem liệu có khả năng cải thiện hay không. Tổn thất bổ sung liên quan đến tất cả các thiết bị chức năng cần thiết để chạy mạch điện, bao gồm cả các mạch điện liên quan đến IC điều khiển và mạch phản hồi. So với các tổn thất khác trong nguồn điện, những tổn thất này nhìn chung là nhỏ, nhưng có thể thực hiện một số phân tích để xem liệu có khả năng cải thiện hay không.

Đầu tiên, khởi động mạch. Mạch khởi động lấy dòng điện một chiều từ điện áp đầu vào để IC điều khiển và mạch điều khiển có đủ năng lượng để khởi động cấp nguồn. Nếu mạch khởi động này không thể cắt dòng điện sau khi khởi động nguồn thì mạch sẽ bị tổn thất liên tục lên tới 3W và tổn thất phụ thuộc vào điện áp đầu vào.

Khía cạnh chính thứ hai là mạch điều khiển công tắc nguồn. Nếu sử dụng bóng bán dẫn điện lưỡng cực cho công tắc nguồn thì dòng điện điều khiển cơ sở phải lớn hơn dòng điện cực đại của cực thu E của bóng bán dẫn chia cho mức tăng (hFE). Độ lợi điển hình của bóng bán dẫn điện là từ 5 đến 15, có nghĩa là nếu dòng điện cực đại là 10A thì nó cần dòng điện cơ sở là 0.66 ~ 2A. Có sự sụt giảm điện áp 0.7V giữa đế và bộ phát. Nếu dòng điện cơ sở không đạt được từ điện áp rất gần 0.7V thì sẽ xảy ra tổn thất lớn.

Hiệu suất điều khiển của MOSFET công suất cao hơn so với bóng bán dẫn điện lưỡng cực. Cổng MOSFET có hai tụ điện tương đương được nối với cực máng và nguồn, đó là tụ điện cổng nguồn Ciss và tụ điện cực nguồn Crss. Việc mất ổ đĩa cổng của MOSFET xuất phát từ việc sạc tụ điện cổng bằng điện áp phụ khi MOSFET được bật và xả xuống đất khi tắt MOSFET. Việc tính toán tổn thất cổng được đưa ra theo phương trình (5).

Đối với sự mất mát này, không có nhiều việc phải làm ngoại trừ việc chọn MOSFET có giá trị Ciss và Crss thấp hơn để có thể giảm một chút điện áp dẫn động cổng tối đa.

Tổn thất liên quan đến các phần tử từ tính

Đối với các kỹ sư thiết kế tổng quát, phần này rất phức tạp. Do đặc thù của thuật ngữ phần tử từ nên những tổn thất sau đây chủ yếu được các nhà sản xuất lõi từ thể hiện dưới dạng biểu đồ, rất thuận tiện khi sử dụng. Những tổn thất này được liệt kê ở đây để mọi người có thể đánh giá được bản chất của tổn thất.

Có ba tổn thất chính liên quan đến máy biến áp và cuộn cảm: tổn thất trễ, tổn thất dòng điện xoáy và tổn thất điện trở. Những tổn thất này có thể được kiểm soát khi thiết kế và thi công máy biến áp và cuộn cảm.

Mất trễ có liên quan đến số vòng dây và chế độ truyền động. Nó xác định diện tích quét trên đường cong BH trong mỗi chu kỳ làm việc. Vùng quét là công được thực hiện bởi lực từ trường làm sắp xếp lại các miền từ trong lõi từ. Diện tích quét càng lớn thì tổn thất trễ càng lớn. Sự mất mát được tính theo phương trình (6).

Như có thể thấy từ công thức, tổn thất tỷ lệ thuận với bậc hai của tần số làm việc và mật độ từ thông làm việc tối đa. Mặc dù tổn thất này không lớn bằng tổn thất bên trong công tắc nguồn và bộ chỉnh lưu nhưng việc xử lý không đúng cách cũng sẽ trở thành vấn đề. Ở tần số 100kHz, Bmax phải được đặt thành 50% mật độ từ thông bão hòa Bsat của vật liệu. Ở tần số 500kHz, Bmax phải được đặt ở mức 25% mật độ từ thông bão hòa Bsat của vật liệu. Ở tần số 1 MHz, Bmax phải được đặt thành 10% mật độ từ thông bão hòa vật liệu Bsat. Điều này được xác định bởi các đặc tính của vật liệu sắt từ trong các bộ nguồn chuyển mạch (3C8, v.v.).

Tổn hao dòng điện xoáy nhỏ hơn nhiều so với tổn thất trễ, nhưng nó tăng nhanh khi tăng tần số hoạt động, như thể hiện trong phương trình (7).

Dòng điện xoáy là dòng điện tuần hoàn sinh ra trong phạm vi lớn bên trong lõi từ trong từ trường mạnh. Nói chung, các nhà thiết kế không có nhiều cách để giảm tổn thất này. Dòng điện xoáy là dòng điện tuần hoàn cảm ứng trong phạm vi lớn bên trong lõi từ trong một từ trường mạnh. Nói chung, các nhà thiết kế không có nhiều cách để giảm thiểu sự mất mát này.

Tổn thất điện trở là tổn thất do điện trở của cuộn dây bên trong máy biến áp hoặc cuộn cảm gây ra. Có hai dạng mất điện trở: mất điện trở DC và mất điện trở do hiệu ứng da. Tổn thất điện trở DC được xác định bằng tích của điện trở của dây quấn và bình phương giá trị hiệu dụng của dòng điện chạy qua nó. Hiệu ứng bề mặt là do trường điện từ AC mạnh trong dây dẫn gây ra và dòng điện ở giữa dây dẫn bị đẩy lên bề mặt dây dẫn, điều này thực sự làm tăng điện trở của dây dẫn. Dòng điện chạy trong tiết diện nhỏ hơn, làm cho đường kính hiệu dụng của dây dẫn có vẻ nhỏ hơn. Phương trình (8) đưa ra công thức tính hai tổn thất này trong một biểu thức.

Độ tự cảm rò rỉ (thể hiện bằng một điện cảm nhỏ mắc nối tiếp với cuộn dây) làm cho một phần từ thông rò rỉ ra không khí và vật liệu xung quanh mà không ăn khớp với lõi từ. Đặc tính của nó không bị ảnh hưởng bởi máy biến áp hoặc điện cảm liên quan của nó, do đó trở kháng phản xạ của cuộn dây không ảnh hưởng đến hiệu suất của điện cảm rò rỉ.

Rò rỉ sẽ gây ra sự cố vì nó không truyền tải điện đến tải mà tạo ra năng lượng dao động trong các phần tử xung quanh. Trong thiết kế cấu trúc của máy biến áp và cuộn cảm, cần kiểm soát độ tự cảm rò rỉ của cuộn dây. Giá trị điện cảm rò rỉ của mỗi loại sẽ khác nhau, nhưng nó có thể được kiểm soát ở một giá trị định mức nhất định.

Một số nguyên tắc chung để giảm độ tự cảm rò rỉ của cuộn dây là: kéo dài chiều dài cuộn dây, đến gần lõi từ hơn, công nghệ ghép chặt giữa các cuộn dây và tỷ số vòng dây tương tự (chẳng hạn như gần L: ​​1). Đối với lõi EE thường được sử dụng trong bộ chuyển đổi DC-DC, độ tự cảm rò rỉ ước tính là 3% ~ 5% độ tự cảm của cuộn dây. Trong bộ chuyển đổi ngoại tuyến, độ tự cảm rò rỉ của cuộn sơ cấp có thể lên tới 12% độ tự cảm của cuộn dây nếu máy biến áp phải đáp ứng các quy định nghiêm ngặt về an toàn. Băng dùng để cách điện cuộn dây sẽ làm cho cuộn dây ngắn hơn và giữ nó cách xa lõi từ và các cuộn dây khác.

Sau này có thể thấy rằng tổn thất bổ sung do điện cảm rò rỉ có thể được tận dụng.

Trong ứng dụng nam châm DC, thường có một khe hở không khí dọc theo mạch từ của lõi từ. Trong lõi ferit, khe hở không khí nằm ở giữa lõi và từ thông chạy từ đầu này sang đầu kia của lõi, mặc dù các đường sức từ sẽ lan ra từ tâm lõi. Sự tồn tại của khe hở không khí tạo ra một vùng từ thông dày đặc, sẽ gây ra dòng điện xoáy trong các bộ phận kim loại gần cuộn dây hoặc khe hở không khí. Sự mất mát này nhìn chung không lớn nhưng rất khó xác định.

Tổng quan về các thông số ký sinh chính trong nguồn điện

Các tham số ký sinh là các đặc tính điện không mong muốn của các thành phần thực tế bên trong mạch. Chúng thường tích trữ năng lượng và phản ứng với các bộ phận của chúng để tạo ra tiếng ồn và tổn thất. Đó là một thách thức lớn đối với các nhà thiết kế trong việc phân biệt, định lượng, giảm thiểu hoặc tận dụng những phản ứng bất lợi này.

Trong trường hợp giao tiếp, các đặc điểm ký sinh rõ ràng hơn. Có hai nút chính có giá trị AC lớn trong nguồn điện chuyển mạch thông thường, nút đầu tiên là bộ thu hoặc cống của công tắc nguồn; Thứ hai là cực dương của bộ chỉnh lưu đầu ra. Chúng ta phải tập trung vào hai nút đặc biệt này.

Các thông số ký sinh chính trong bộ chuyển đổi

Trong tất cả các bộ nguồn chuyển mạch đều có một số thông số ký sinh phổ biến và có thể thấy rõ ảnh hưởng của chúng khi quan sát dạng sóng của các nút AC chính trong bộ chuyển đổi. Một số dữ liệu của thiết bị thậm chí còn đưa ra các thông số này, chẳng hạn như điện dung ký sinh của MOSFET. Các thông số ký sinh chính của hai bộ chuyển đổi phổ biến được thể hiện trong Hình 3.

Một số tham số ký sinh đã được xác định rõ ràng, chẳng hạn như điện dung của MOSFET, trong khi các tham số ký sinh rời rạc khác có thể được biểu thị bằng các tham số gộp, giúp mô hình hóa dễ dàng hơn. Rất khó để xác định giá trị của các tham số ký sinh không được xác định rõ ràng và chúng thường được xác định bằng giá trị thực nghiệm. Nói cách khác, khi thiết kế các công tắc mềm, việc lựa chọn linh kiện cần dựa trên nguyên tắc để đạt được kết quả tốt nhất. Trong sơ đồ mạch điện, việc đặt các phần tử ký sinh vào những vị trí thích hợp là rất quan trọng, vì nhánh điện chỉ hoạt động trong một phần thời gian làm việc của bộ chuyển đổi. Ví dụ, điện dung tiếp giáp của bộ chỉnh lưu sẽ chỉ lớn khi bộ chỉnh lưu được phân cực theo hướng ngược lại, nhưng sẽ biến mất khi diode được phân cực theo hướng thuận. Bảng L liệt kê một số tham số ký sinh dễ xác định, các thành phần tạo ra các tham số này và phạm vi gần đúng của các giá trị này. Một số giá trị tham số ký sinh đặc biệt có thể được lấy từ dữ liệu của các thành phần cụ thể.

Ảnh hưởng của bảng mạch in (PCB) đến các thông số ký sinh ở khắp mọi nơi và các quy tắc bố trí PCB tốt có thể giảm thiểu những ảnh hưởng này.

Các dòng in có dòng điện cực đại rất nhạy cảm với điện cảm và điện dung được tạo ra bởi bất kỳ dòng in nào, vì vậy những dòng này phải ngắn và dày. Các mối hàn PCB có điện áp cao AC, chẳng hạn như cống hoặc cực thu của công tắc nguồn hoặc cực dương của ống chỉnh lưu, dễ tạo ra điện dung ghép với các dòng in liền kề, do đó nhiễu AC được ghép vào các dòng in liền kề. Thông qua kết nối "thông qua", cùng một tín hiệu có thể truyền qua các lớp trên và dưới của mạch in tín hiệu AC. Ảnh hưởng của các tham số ký sinh khác nói chung có thể được quy cho các yếu tố ký sinh lân cận.

Biết được bản chất các tham số ký sinh trên từng thành phần của một bộ chuyển đổi điển hình sẽ giúp xác định các thông số của các thành phần từ tính, thiết kế PCB, thiết kế bộ lọc EMI, v.v. Đây là phần khó nhất trong tất cả các thiết kế bộ nguồn chuyển mạch.