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開關電源的損耗與效率計算

文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2013-11-25 17:00:00【大 中 小】

  在開關電源中,如果沒有損耗,那效率就是100%,但這是不可能的,BUCK型開關電源中主要的損耗是導通損耗和交流開關損耗,導通損耗主要是指MOS管導通後的損耗和肖特基二極管導通的損耗(是指完全導通後的損耗,因爲導通不是瞬間導通,有個從線性區到非線性區的過程),在MOS管導通時,由于存在導通電阻,那麽流過電流就必然存在導通損耗,而肖特基導通損耗是指在MOS管關閉期間,由于電感的電流不能突變加上電感反沖現象,會産生與MOS管導通時的相反電壓方向,從而使肖特基導通,流過的電流會在肖特基上産生損耗。由于MOS管在導通的時候,流過其的電流不是瞬間達到最大,此時電流有個從零逐漸上升到最大的過程,此時MOS管漏源(DS)之間的電壓也是從Vdc逐漸下降到零,MOS管關閉的時候也存在此情況,只是與打開的時候過程相反,那麽在這逐漸的過程中就會産生損耗,這就是交流開關損耗,交流開關損耗包括MOS管打開和關閉損耗,交流開關損耗與開關的頻率成正比,因爲一開一關的次數越多,損耗自然就大了。

  在忽略交流開關損耗的情況下,假設輸入電壓Vdc,輸出電壓爲Vo,MOS管導通時間爲Ton,關閉時間爲Toff,整個周期爲T,即T=Ton+Toff。在MOS管導通期間流過的平均電流爲Io,由于電感電流不能突變,那麽在MOS管關閉期間流過肖特基的平均電流也爲Io,在MOS管和肖特基導通期間産生的壓差基本爲1V,那麽導通損耗=P(mos管)+P(肖特基)=1*Io*Ton/T+1*Io*Toff/T=1*Io。那麽此時的效率E=Po/(Po+Plosse)=(Vo*Io)/(Vo*Io)+(1*Io)=Vo/Vo+1。

  在考慮交流開關損耗的時候,基本交流開關損耗可以分兩種情況來考慮,第一種情況是MOS管導通期間,電流開始上升的時候電壓同時開始下降,MOS管關閉期間電流開始下降的時候電壓同時上升,此種情況也是最理想的情況(一般實際情況很難達到),那麽在此情況下,交流開關損耗=整個開關周期的導通損耗+整個開關周期的關斷損耗=(時間從0到Ton,流過電流和電壓剩積的積分)*(Ton/T)+(時間從0到Toff,流過電流和電壓剩積的積分)*(Toff/T)=Io*Vdc/6*(Ton/T)+Io*Vdc/6*(Toff/T)。

  設Ton=Toff=Ts(理論上MOS管打開瞬間電流從0上升到最大與MOS管關斷瞬間從最大下降到0的時間是一樣),所以交流開關損耗Pac=Io*Vdc*Ts/3T。則此時的效率E=Po/(Po+DClosse+AClosse)=(Vo*Io)/(Vo*Io)+(1*Vo)+(Io*Vdc*Ts/3T)=Vo/(Vo+1+Vdc*Ts/T)上面是在考慮交流開關損耗的理想情況下的效率,那麽第二種情況就是在最差的情況下,即MOS管導通時,電流從0達到最大後,電壓才開始下降,而不是同時,MOS管關閉時,電壓上升到最大後,電流才開始從0開始下降,一般這種情況更接近真實情況,那麽此種情況下,交流開關損耗=整個開關周期的導通損耗+整個開關周期的關斷損耗=Io*Vdc*Ts/T+Io*Vdc*Ts/T=2*Io*Vdc*Ts/T。所以此時效率E=Po/(Po+DClosse+AClosse)=(Vo*Io)/(Vo*Io)+(1*Vo)+(2*Io*Vdc*Ts/T)=Vo/(Vo+1+2*Vdc*Ts/T)。

  以上的效率計算是在沒有考慮肖特基的反向恢複時間的情況下,實際的效率可能還會比以上計算的低,反向恢複時間是指二極管從承受反向電壓的瞬間到完全停止流過反向漏電流所經曆的時間,因爲二極管在反向截止時不可能瞬間截止,也是有一個過程的。應該使用反向恢複時間在35ns~50ns的超快恢複二極管作爲續流二極管,該損耗與開關頻率成正比。

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