開(kāi)關(guān)電源頻率提升的極限

1、開(kāi)關(guān)電源頻率提升的極限1、器件的限制對(duì)于一個(gè)開(kāi)關(guān)管來(lái)說(shuō)，在實(shí)際應(yīng)用中，不是給個(gè)驅(qū)動(dòng)就開(kāi)，驅(qū)動(dòng)撤掉就關(guān)了。它有開(kāi)通延遲時(shí)間（tdon）,上升時(shí)間（tr）,關(guān)斷延遲時(shí)間（tdoff）,下降時(shí)間tf,對(duì)應(yīng)的波形如下:通俗的講，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通關(guān)斷不是瞬間完成的，需要一定的時(shí)間，開(kāi)關(guān)管本身的開(kāi)關(guān)時(shí)間就限制了開(kāi)關(guān)頻率的提升。以答主以前在臺(tái)達(dá)實(shí)習(xí)，臺(tái)達(dá)用在3kW的逆變器上的一款英飛凌600V的coolmos為例?？纯催@些具體的開(kāi)關(guān)時(shí)間是多少Tum-ondel到tEm-16*ns。廣13%/口二電三tvn(tsstable16Kisetime12Turn-aFftime心M-83Fall耳5i那么對(duì)于這個(gè)mos管

2、來(lái)說(shuō)，它的極限開(kāi)關(guān)頻率（在這種極限情況下，mos管剛開(kāi)通就關(guān)斷）fs=1/（16+12+83+5）ns=8.6MHz,當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中，由于要調(diào)節(jié)占空比，不可能讓開(kāi)關(guān)管一開(kāi)通就關(guān)斷，所以實(shí)際的極限頻率是遠(yuǎn)低于8.6MHz的，所以器件本身的開(kāi)關(guān)速度是限制開(kāi)關(guān)頻率的一個(gè)因素。2、開(kāi)關(guān)損耗當(dāng)然，隨著器件的進(jìn)步，開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)的速度越來(lái)越快，尤其是在低壓小功率場(chǎng)合，如果僅考慮器件本身的開(kāi)關(guān)速度，開(kāi)關(guān)頻率可以run得非常高，但實(shí)際并沒(méi)有，限制就在開(kāi)關(guān)損耗上面。下面給出開(kāi)關(guān)管實(shí)際開(kāi)通的時(shí)候?qū)?yīng)的波形圖可以看到，開(kāi)關(guān)管每開(kāi)通一次，開(kāi)關(guān)管DS的電壓（Vds）和流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流（Id）會(huì)存在交疊時(shí)間，從而造成開(kāi)通

3、損耗，關(guān)斷亦然。假設(shè)每次開(kāi)關(guān)管每開(kāi)關(guān)一次產(chǎn)生的能量損耗是一定的，記為Esw,那么開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗功率就為Psw=Esw*fs,顯然，開(kāi)關(guān)頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗越大。5M開(kāi)關(guān)頻率下開(kāi)關(guān)損耗比500K要大10倍，這對(duì)于重視效率的開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，顯然是不可接受的。所以，開(kāi)關(guān)損耗是限制開(kāi)關(guān)頻率的第二因素。3、軟開(kāi)關(guān)的困難題主提到了軟開(kāi)關(guān)，沒(méi)錯(cuò)，軟開(kāi)關(guān)確實(shí)是解決開(kāi)關(guān)損耗的有力手段。而在各種研究軟開(kāi)關(guān)的paper上，提出了無(wú)數(shù)種讓人眼花繚亂的軟開(kāi)關(guān)方案，似乎軟開(kāi)關(guān)能解決一切問(wèn)題。但是實(shí)際工程應(yīng)用和理論分析不同，實(shí)際工程追求的是低成本，高效率，高可靠性，那些需要添加一堆輔助電路，或者要非常精確控制的軟開(kāi)關(guān)方案在實(shí)

4、際工程中其實(shí)都是不太被看好的，所以即使到現(xiàn)在，在工業(yè)界最常應(yīng)用軟開(kāi)關(guān)的拓?fù)湟仓灰葡嗳珮蚝鸵恍┲C振的拓?fù)洌ū热鏛LC）,至于題主提到的flyback,沒(méi)錯(cuò)，我也聽(tīng)說(shuō)過(guò)有準(zhǔn)諧振的flyback（但沒(méi)研究過(guò)），但即使有類(lèi)似的方案，對(duì)于能不能真正工程應(yīng)用，題主也需要從我上面提到的幾個(gè)問(wèn)題去考量一下。ps2對(duì)于小功率高頻電源，現(xiàn)在classE非常火，我覺(jué)得它火的原因就是電路簡(jiǎn)單，所以才能被工業(yè)界接受，題主有興趣可以去研究下。4、高頻化帶來(lái)的一系列問(wèn)題假設(shè)上面的一系列問(wèn)題都解決了，真正做到高頻化還需要解決一系列工程上的問(wèn)題，比如在高頻下，電路的寄生參數(shù)往往會(huì)嚴(yán)重影響電源的性能（如變壓器原副邊的寄生電容，

5、變壓器的漏感，PCB布線之間的寄生電感和寄生電容等等），造成一系列電壓電流波形震蕩和EMI的問(wèn)題，如何消除寄生參數(shù)的影響，甚至進(jìn)一步地，如何利用寄生參數(shù)為電路服務(wù)，都是有待研究的問(wèn)題。ps,對(duì)于高頻化應(yīng)用的實(shí)際工程應(yīng)用的問(wèn)題，還有很重要的一塊是高頻驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，桂涵東實(shí)驗(yàn)室這塊做得比較好，可以邀請(qǐng)他來(lái)回答下。當(dāng)然，隨著新器件（SiC,GaN）的興起，開(kāi)關(guān)電源高頻化的研究方興未艾，開(kāi)關(guān)電源的高頻化一定是趨勢(shì)，而且有望給電力電子帶來(lái)又一次革命。讓我們拭目以待。類(lèi)似于在微電子產(chǎn)業(yè)中著名的摩爾定律，從1970年開(kāi)始，電力電子變換器的功率密度大約每十年增加一倍。這和功率半導(dǎo)體發(fā)展的軌跡密切相關(guān)，受益于

6、硅器件封裝和溝道結(jié)構(gòu)不斷的發(fā)展，開(kāi)關(guān)頻率已經(jīng)推到了兆赫茲級(jí)別，被動(dòng)元件的體積不斷減小，變換器提高了功率密度，但是高開(kāi)關(guān)頻率帶來(lái)的高開(kāi)關(guān)損耗、高磁芯損耗使得整個(gè)系統(tǒng)損耗大幅增加，散熱系統(tǒng)也隨之增加，所以現(xiàn)在阻礙電力電子變換器功率密度進(jìn)一步提高的技術(shù)屏障在散熱系統(tǒng)和高頻電磁設(shè)計(jì)，以及先進(jìn)的功率集成和封裝技術(shù)。為了維持這個(gè)功率密度的發(fā)展速度，很多電力電子前沿研究已經(jīng)轉(zhuǎn)移到散熱基板研究，被動(dòng)元件集成等方面的研究，所以題主你明白我的意思了嗎？就算你現(xiàn)在把開(kāi)關(guān)頻率提到很高，功率密度也是被這些因素制約的。下面我稍微展開(kāi)來(lái)說(shuō)下：1 .開(kāi)關(guān)損耗開(kāi)關(guān)損耗確實(shí)是限制因素之一，但是氮化錢(qián)器件的推出已經(jīng)讓開(kāi)關(guān)損耗在1-

7、3Mhz這個(gè)范圍內(nèi)變得可以接受，我下面附一張圖片，這是三家公司推出的650V的GaNdevice,可以看出最好的管子開(kāi)通損耗已經(jīng)4uJ,關(guān)斷損耗在8uJ（測(cè)試條件在400V,12A）,還有一家叫RFMD的公司，其650V的管子基本可以和Transphorm平齊。而同電壓電流等級(jí)的硅器件很多管子都還在以mJ為單位。|SpecificathmTransphurmPanasonicGaNSytemiiJhpt*l<iiluinccnicnl-ii<xk(iion-jEiMtkdcd軍1門(mén)卜nh;uiceniait-inodelinsuhled>P司威igeTO-2203AID耳Kd

8、uinoutk'ih.i？tcd6(KIVGOOV65017A15A30A+-ISA-10to+45V體)-17to+11(30nspulc)+-H)一-1.15V1.2V1.6VVD150iiUi(25'<)(17571(25150nH2(ISO5211皿25。136mil(150t/)Qrr54UC53nC,。貳Qss.5nc21jiC6.5nCF1rwuon4jiJMpj48pJ累1-waofTgpj33J5仆rJF面在貼出一張低壓氮化錢(qián)和硅器件的比較，可以看出，總體來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)損耗也會(huì)變得很小。Q40VSilicon他LGA40VGaN(EPC)能gMVqE3.23

9、.2QJnC)10560%reduction26Qm(nC)2267%reduction6.6CiM(pF»110073%reduction4030(J(pF)57512%reduction650VS5(V)-5+6±20還有一點(diǎn)很重要，寬禁帶半導(dǎo)體的工作結(jié)溫很高，以目前的工藝來(lái)說(shuō)，Sic的結(jié)溫可以工作到200。，氮化錢(qián)可以工作到150。而硅器件呢，我覺(jué)得最多100。就不得了。結(jié)溫高，意味著相同損耗下，需要給寬禁帶半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的散熱器表面積要小很多，何況寬禁帶半導(dǎo)體的損耗本身還小。但是開(kāi)關(guān)頻率的提高，往往只能使用QFN或者其他一些表貼器件減少封裝寄生參數(shù)，這給散熱系統(tǒng)帶來(lái)了極

10、大的挑戰(zhàn)，原來(lái)To封裝可以加散熱器，減少到空氣對(duì)流的熱阻，而現(xiàn)在不行了。所以如果想在高頻下工作，第一問(wèn)題就是解決散熱，把高開(kāi)關(guān)損耗導(dǎo)出去，尤其是在kW級(jí)別，散熱系統(tǒng)非常重要?，F(xiàn)在學(xué)界解決這個(gè)問(wèn)題的手段偏向于把器件做成獨(dú)立封裝，采用一種叫DCB的技術(shù)，用陶瓷基板散熱,器件從陶瓷上表面到下表面的熱阻基本為0.4C/W（有些人也用metalcorePCB,但是要加絕緣層，熱阻一般在4C/W），而FR4為20C/W。Defindtion:DCB(DirectCopperBonded)scmctiniesal&onamedasDBC(DirectBondedCopper)teclmologyde

11、no【熨aspecialprocessinwhichU泥copperfoiland也eAI2O5orAJN(oneorbothsides)arcdiredlytendedunderaipprop誦優(yōu)hightonperanumLowerthermalresi$Ean<e,n«rearedetailsforlOmmk10mmDCBsubstrate:O.25nnmthkkneES:0.14K/VjD.3Smirthickness:0.19KV/0.63mmthitknggg：0.31K/WCeramicmalenalusedininclude;7：j三H(41：Ojwhichis

12、iiidelyusedb"auwofitsIlt>howevernotateafly40cxithertnalconductor<21-2Saidisbrittle.'二.；.i*：，.(/MX*whidiisindieexpensive,buth蠲&Mbetter也®rmalperfijmi網(wǎng)，e(>150W/).1/：i、：但踹)：whichhasgotxithermalpertbnnance,bu1isoftenavoidedbecauseofitstonicityfhenthepoudrishgekdorinlialvd.總金一下，

13、半導(dǎo)體不斷在發(fā)展，開(kāi)關(guān)損耗也在顯著下降，而封裝越來(lái)越小,么把那些熱量從那么小的表貼封裝下散出去。Directbondedcappersubstrateei現(xiàn)在來(lái)看，我們要做的是怎2 .EMI和干擾在我接觸EMI前，很多老工程師以他們有豐富的EMI調(diào)試經(jīng)驗(yàn)來(lái)鄙視我們這些菜鳥(niǎo)，搞的我一直以為EMI是門(mén)玄學(xué)，也有很多人動(dòng)不動(dòng)就拿EMI出來(lái)嚇人。我想說(shuō)EMI確實(shí)很難理解，很難有精確的紙面設(shè)計(jì)，但是通過(guò)研究我們還是能知道大概趨勢(shì)指導(dǎo)設(shè)計(jì)，而不是一些工程嘴里完全靠trialanderror的流程。我先給出結(jié)論，EMI確實(shí)和開(kāi)關(guān)頻率不成線性關(guān)系，某些開(kāi)關(guān)頻率下，EMI濾波器的轉(zhuǎn)折頻率較高，但是總體趨勢(shì)而言，

14、是開(kāi)關(guān)頻率越高，EMI體積越??！我知道很多人開(kāi)始噴我了，怎么可能，di/dt和dv/dt都大了，怎么可能EMI濾波體積還小了。我想說(shuō)一句，共模和差模濾波器的沒(méi)有區(qū)別，相同的截止頻率下，高頻的衰減更大！就算你高頻下共模噪聲越大，但是你的記住，這個(gè)頻率下LC濾波器的衰減更大，想想幅頻曲線吧。為了說(shuō)明這個(gè)結(jié)論，我給出一些定量分析結(jié)果。這些EMI分析均基于AC/DC三相整流，拓?fù)錇榫S也納整流。我分別給出了1Mhz和500Khz的共模噪聲，可以看出，500khz共模濾波器需要的截止頻率為19.2kHz,1MHz為31.2kHz。Ls=110pHtCs=13pF,f=SOOHz.Ldc0J28mH,Cdc

15、=V2pF.fc=5D0kHzFrequency(kHz)L=60pH,C=100pF,f=800Hz,Vin=115Vrms,Vout=400Vfs=1MHzFrequency(kHz)這張圖給出了不同頻率下共模和差模濾波器轉(zhuǎn)折頻率的關(guān)系，可以看出，一些低頻點(diǎn)EMI濾波器體現(xiàn)出了非常好的特性。例如70Khz,140Khzo而這兩個(gè)開(kāi)關(guān)頻率是工業(yè)界常用的兩個(gè)開(kāi)關(guān)頻率，非常討巧，因?yàn)镋MI噪聲測(cè)試是150KHz到30MHz。不過(guò)這個(gè)也與拓?fù)溆嘘P(guān)。BO以上數(shù)據(jù)均基于仿真，雖然不能精確的反應(yīng)EMI噪聲的大小，但是趨勢(shì)肯定是正確的。說(shuō)了這么多，我只想表明，開(kāi)關(guān)頻率的選取相當(dāng)有學(xué)問(wèn)。如果要以高功率密度為

16、設(shè)計(jì)指標(biāo)，開(kāi)關(guān)頻率并不是越高越好，而是有一個(gè)最佳轉(zhuǎn)折點(diǎn)。下面2張圖給出了維也納整流器和BUCK-type整流器的功率密度趨勢(shì)，可以看出，最佳功率密度點(diǎn)不是一個(gè)開(kāi)關(guān)頻率。對(duì)那些拍著腦瓜選開(kāi)關(guān)頻率，解決EMI問(wèn)題并且鄙視過(guò)我的老工程師，我還是懷有很大敬意的，但是我想說(shuō)的是，如果真正想設(shè)計(jì)一臺(tái)最高功率密度的變換器，詳細(xì)的考證是值得的，還不是單純依靠經(jīng)驗(yàn)，況且經(jīng)驗(yàn)背后也是一定有理論支持。(W)LossComparison(g)WeightComparisonFanProtectionDevice Decap Heatsink BoostL EMIfilterDCMDCMLossComparison(9

17、WeightComparison450我不禁問(wèn)個(gè)問(wèn)題，都有EMI濾波器，EMI噪聲都符合標(biāo)準(zhǔn)，為啥高頻干擾大。難道大家在實(shí)際工程遇到高頻干擾是個(gè)假象？不是的，舉1個(gè)非常簡(jiǎn)單的例子，剩下的自己思考吧。在輸入電壓較高的場(chǎng)合中，一般開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)的都需要隔離。我們知道隔離后一端的地一般要接到懸浮開(kāi)關(guān)管的源端，一般這一點(diǎn)的電平是跳變得，以氮化錢(qián)晶體管為例，這點(diǎn)電壓變化率可以達(dá)到140kV/us而隔離芯片前一端的地是與控制地連接的，你隨便看看隔離模塊電源的手冊(cè)，原副邊耦合的寄生電容一般在60pF左右，也是就說(shuō)在高速開(kāi)關(guān)瞬間，會(huì)產(chǎn)生大約6A的電流從副邊的地通過(guò)電容耦合到原邊，原邊的地電平肯定瞬間產(chǎn)生尖峰，整個(gè)

18、控制系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾。所以做高頻的時(shí)候，隔離電源的地線千萬(wàn)不要平行的鋪在2層PCB中，干擾效果會(huì)更加強(qiáng)烈。同時(shí)選隔離芯片的時(shí)候也需要注意一個(gè)參數(shù)叫做CMtransientimmunity（肯定會(huì)給的），這個(gè)參數(shù)最好大于開(kāi)關(guān)瞬間，橋臂中點(diǎn)電平的變化速率。光耦隔離這個(gè)參數(shù)一般在30kV/us,磁耦在35kV/us,電容耦合在50kV/us（是不是絕望了，都比氮化錢(qián)低，硅器件一般在10kV/us,Sic30kV/us）。CMtransientinimunity:source&effects（j）匚contri>11erIMillMl SwitchingtransitionscausehighMdtacrossthesignalisolator CouplingcapacitancesoffertheparasiticpathsInputofgitedriverIC dv/dtcoupledthroughtheparasiticpathsleadsisolatortolosecontrolbyinadvertentlytriggeringafunctionorcausingfalsef&edback.（小=GVg"，還有很多細(xì)節(jié)可以引起干擾，不過(guò)真的不是EMI噪聲做的孽。關(guān)于高頻磁芯設(shè)計(jì)，我是真的寫(xiě)不