硬開關的優(yōu)缺點以及全諧振式電源適配器

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硬開關的優(yōu)缺點以及全諧振式電源適配器

在20世紀60年代和70年代，當高效率和高可靠性的半導體以令人能夠接受的價格出現(xiàn)后，現(xiàn)代電源適配器成為一種當然之選的技術，在這之前，電源適配器技術僅用于大功率和高頻場合，且采用各種磁性元件，如磁放大器和磁通門器件。
令我記憶猶新的是，20世紀60年代初，電子學正面臨著一場重要的革命，當時Tobey和 Dinsdale發(fā)明了一種基于儲半導體的脈沖寬度調(diào)制寬帶音頻放大器，雖然這是一種音頻放大器，但卻包含了現(xiàn)代電源適配器的基本技術。盡管相關文獻直到20世紀80年代才大量出現(xiàn)，但毫無疑問，當時從事電源研究的人數(shù)眾多。
英規(guī)電源適配器設計領域的先驅(qū)們（如 Abraham1。 Pressman，1915-2001）在設計線性調(diào)節(jié)器、電源適配器和諧振式電源時都一樣自如，早年，諧振式功率系統(tǒng)通常采用低頻開關器件，如晶閘管，頻率限制在幾千赫茲范圍內(nèi)。
然而近年來，高效的高頻器件將工作頻率提高至幾兆赫茲，高頻諧振和準諧振變換器的設計越來越專業(yè)化。這就要求設計人員只能專攻硬開關方法（矩形波）或者諧振式方法（正弦或準正弦波）。毫無疑問，這種專業(yè)化的原因在于兩種方法涉及的知識面均非常廣，人們很難在兩方面都站在技術的前沿。
最近，第三種方法出現(xiàn)了，即“準諧振式電源適配器”。這種方法試圖將硬開關和諧振式系統(tǒng)的主要優(yōu)點結合起來，在補充內(nèi)容的第3章給出的就是一個很好的例子：三相交流輸入的10kW電源采用準諧振方法，并且證明整機效率接近97%。
在這種情況下，對各種系統(tǒng)的主要優(yōu)點和缺點進行總結有助于設計者在特定應用中選擇最佳方法。迄今沒有一種技術能夠堪稱理想（否則大家就都來用了），在參數(shù)設計上總是需要折衷，工程師必須考慮到許多要求和參數(shù)然后才能確定最佳方法。

硬開關方法的優(yōu)缺點
在硬開關方法中，功率器件完全導通一段時間，隨后完全關斷一段時間，導通和關斷時間之比決定著輸出電壓或電流的平均值。
可以采用多種調(diào)制方法，包括定頻（導通和關斷時間都變化）、變頻（導通時間固定而關斷時間變化）、變頻（關斷時間固定而導通時間變化）、變頻（導通和關斷時間都變化，但紋波電流峰一峰值不變，例如滯環(huán)控制）等。
上述方法有一個共同之處，即都在應力很高的情況下開通或關斷功率器件，在此期間，功率器件兩端的電壓和通過器件的電流都很大，造成非常大的開關損耗。盡管可用各種緩沖（負載線整形）方法減小損耗，但并不能從根本上解決問題。下面將利用未采用負載線整形的簡單升壓變換器對此做出解釋。
圖所示的是一個基本的升壓開關調(diào)節(jié)器，圖42。1b給出了開通過程中電壓和電流的波形，圖所示的為未采用負載線整形時開關器件的損耗應力。空氣凈化器電源適配器

硬開關的優(yōu)缺點以及全諧振式電源適配器

電源適配器由100V輸入產(chǎn)生200V輸出的升壓變換器概圖。導通期間電壓和電流波形如圖（b）所示注意Q1兩端的電壓在Q1電流超過輸出電流之前不會降低，電感L1在開關過程中迫使電流流動，造成Q1在開通和關斷過程中產(chǎn)生很大的尖峰開關損耗。（本例中峰值為2000V。）這在開關過程中發(fā)生，與器件的開關速度無關，并且證明這種固有的功率損耗與此類調(diào)節(jié)器的硬開關過程有關

硬開通開關損耗
初始條件：該例中，假設器件是理想的（無損耗）且電路已經(jīng)進入穩(wěn)態(tài)，輸入電壓為100V、電流為10A（1kW），輸出電壓為200V，輸出電流平均值約為5A（kW）。電感L很大，因此為了簡單起見，本例中可認為輸入電流在一個周期中保持不變。
注意到Q1開通之前，流過L1的10A電流經(jīng)D1和負載流入大電容C2，且輸出側(cè)B點的電壓為200V，輸出電流平均值約為5A，所以C：被5A電流充電。還是為了簡單起見假設C2很大，所以紋波電壓很小，可以忽略。
由圖的左側(cè)部分可見，在開通時刻T1之前，Q的漏極電流（ID）接近于0而B點的電壓（Vo）被柑位在200V，這是因為D是導通的，而C點的輸出電壓為200V。

開通過程
T1時刻Q1在柵極信號的作用下開始導通，Q1的電流開始增加至10A，T1至T2期間，電流增加的速率由Q1的開通特性（以及Q1和C1回路的電感）決定，例如這段時間為1us。注意在這一階段，Q1兩端的電壓維持在200V，原因是L的電流為恒定的10AD1仍然導通，D的電流為10A與Q1電流之差。所以，D1仍然將B點的電壓位于由C保持的約200V。在這段開通初始階段內(nèi)，Q1的損耗非常大，損耗的曲線為圖（c）中位于T和T2之間的部分。T2時刻Q1的電流達到10A，D的電流下降至0，D2反向偏置。B點的電壓（Q1的漏源電壓）從200V開始下降，在T時刻電壓降至0之前，Q1仍然是導通的。在這一階段，Q1的等效電阻開始減小，直至達到R=。但是，Q1中同時存在電壓和電流。從而產(chǎn)生損耗，損耗曲線為圖（c）中位于T2和T3之間的部分。
圖表明在開通過程中Q1的損耗峰值為2000W，需要注意的是，增加開關速度（采用更快的器件）不會改變損耗峰值。使用快速器件可以降低平均功耗，因為功率曲線圍成的面積將減小，但功耗峰值維持不變。
重點在于，Q1的峰值損耗為2kW且增加Q1的開關速度峰值損耗保持不變，因為這是硬開關過程的固有特性。實際應用中，可采用緩沖電路（負載線整形）降低Q1的峰值應力，但一般而言這樣做只會使損耗轉(zhuǎn)移到其他元件中。類似的過程出現(xiàn)在關斷Q時。
這就是硬開關最主要的缺點。其他硬開關拓撲也存在著不同的損耗問題，盡管有許多方法可以降低這類損耗，但并未從根本上解決問題，而且還將工作頻率限制在200kHz以下。
空氣凈化器電源適配器硬開關的主要特性總結如下。

缺點
（１）固有的高開關損耗；
（２）工作頻率的范圍受限（歸因于高開關損耗）；
（３）開關邊沿過快遣成寬頻譜范圍的EMI噪聲
（４）需要采用負載線整形技術；
（５）開關器件的應力高；
（６）功率二極管中反向恢復電流很大。

優(yōu)點
（１）非常成熟的技術和許多行之有效的拓撲。相關的圖書和應用注釋豐富，有種類齊全的控制IC可供選用；
（２）能適應輸入和負載的大范圍變化；
（３）非諧振式電路，因此繞線式元件及開關器件中的電流更小，IR損耗也小
（４）易于理解和設計；
（５）布局和繞線式元件的設計不是特別關鍵。
下面要分析的是全諧振式電源適配器的工作過程。

插墻式電源適配器全諧振式開關系統(tǒng)
諧振式開關系統(tǒng)的種類繁多，且有成為專業(yè)領域的趨向，電源適配器廠家（玖琪實業(yè)）也無法面面俱到地涵蓋全部有關內(nèi)容。如果電源適配器工程師希望對此有全面而透徹的理解，建議查找本網(wǎng)站：coiledpins.cn中列出的專業(yè)知識。
電源適配器廠家（玖琪實業(yè)）將研究為熒光燈供電的全諧振式系統(tǒng)（工業(yè)中通常稱為鎮(zhèn)流器），從中我們將了解到全諧振系統(tǒng)的優(yōu)點和缺點

電源適配器