中高端交流电源技术指导 电源的高频化已经势不可挡

这两天做的300KHz，1.2kw的特种电源开始测试了，今天有个同事问我，为什么要将开关频率做这么高，他以前公司的电源设计的常规频率也就40k~150khz。那今天乘着这个机会，正好探讨一下电源的未来的方向，如果有说得不对的，请批评指正。

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其实我们都知道，在生活的各个地方，我们可以看到工频变压器，比如图1所示的变压器，它的功率才25W,重量却达到了0.7KG(即1.4斤）。这在小型化的电子产品中没有那么大的空间能容纳得下它，且功率非常小。因而这些年借助功率开关管和变压器提升了开关频率，将电源的整个功率密度提了上去。使得现今的电子产品体积越来越小，极大方便了人们的生活。

图1、25W的工频变压器

那问题又出现了：既然提升频率是提升功率密度最好的方式，那为什么开关频率大多设计在50k~150Khz？且为什么电源功率越大，频率越低？为什么开关频率不能做得很高？究竟是什么原因造成的？

下面主要从功率器件的限制、损耗和电磁兼容方面探讨上述问题。

一、功率开关管

功率开关管现在常用的就以下几种：MOS管、IGBT、Sic和GaN。近些年Sic和GaN的出现，它们的寄生参数优异，往往可以做高频，它们自身的开关速度相较MOS和IGBT要快很多。开关速度限制了频率无法做到很大。

考虑到时间关系，就在这里暂时不展开讲解它们之间的区别，后续我专门拿一章对这些器件逐个讲解。

怎么大致估算功率开关管的开关速度，我们举个例子：图2是FF100R12RT4的图片（1200V,100A）。

图2、IGBT(FF100R12RT4)

打开它的规格书，我们可以看到图3所示的参数：它有开通延迟时间（tdon），上升时间（tr），关断延迟时间（tdoff），下降时间tf等。

图3、IGBT的延迟时间

由图3而言，我们可以大致估算出它的极限开关频率为：1/(0.15 0.035 0.4 0

09)us=148K。实际应用中，改器件用于高压系统，Vds从0V爬升至几百伏都需要一定时间，且频率太高开关损耗也是相当可怕。所以这个计算并不能说明问题，这里只是举例示范。FF100R12RT4常规使用频率在4khz~10Khz间。

二、损耗

实际应用中，硬开关是最常见的开关方式，而在设计中这就要求硬件设计人员必须要考虑开关损耗的问题，开关损耗分为开通损耗和关断损耗。

这里我们拿开通损耗举例，关断损耗也类似。

如下图4所示，功率管打开后，开关管DS的电压（VDS）和流过开关管的电流（Idrain）会存在重叠面积，即图4中的虚线2部分。重叠的面积即为开通损耗。随着频率的提升，单位时间内重叠的部分更多，开关损耗也就越大。损耗越大，开关管的发热也就愈加严重，一旦温度接近结温，开关换就会BOOM。

图4、MOS的开通波形

再者开关频率提升后，变压器的铁损也要考虑。变压器的铁损主要由变压器涡流损耗产生（变化的磁场会在导体内部产生感应电动势，电动势在导体内会产生涡流），导致了损耗增加。在设计PCB时，电感和变压器底部不能敷铜也是考虑到涡流。

三、电磁兼容

越高的频率虽提升了电源的功率密度，但高频也势必造成干扰的问题，在电源测试中,EMI是必测的一项，EMI噪声测试范围是150KHz到30MHz。这也就是为什么电源常设计在150Khz以下。

小结

随着功率器件的发展和工业产品体积要求更加小巧的背景下，电源的高频化方向肯定是不会错的。手机充电器等消费电子的电源今天已经可以将开关频率做到1Mhz（GaN）。这几年准谐振电源、LLC、移相全桥极大减小了开关损耗，也有利于电源的高频化发展。未来是新能源的天下，新能源离不开电，要用电就需要电源，所以让我们学起来，做与时俱进的电源工程师。