影响电源效率提升的主要损耗

效率一直以来都是电源领域的研究重点，尤其在一些小体积高功率密度的电源系统中尤为重要。比如，适配器电源、模块电源、服务器用电源等。近年来，第三代GaN半导体的广泛应用，以及功率管开关频率的提高，使得电源的体积进一步缩小。要在有限的体积及温升范围内正常工作，这就对系统的效率提出了更高的要求。影响系统效率的主要损耗有功率管导通损耗、开关损耗、续流损耗、变压器铜损和磁损、二极管整流损耗、驱动、采样及控制威廉希尔官方网站 损耗等。下面针对每一种损耗简单说下自己的理解和分析。

1）功率管导通损耗

功率管导通损耗与功率管的导通阻抗和流过功率管的电流有关。降低功率管的导通损耗，一方面可以选择导通电阻更小的功率器件，比如用GaN替代MOSFET。另一方方面，可以想方设法降低流过功率管的电流有效值。

降低电流的有效值可以从控制和威廉希尔官方网站 参数两方面入手。从控制上，可以通过降低电感电流的峰值或平均值入手降低有效值，比如目前流行的四开关Buck-Boost或ACF中，通过固定谷值电流值，调节峰值的方法实现系统稳定。从参数，可以通过调节电感值或者谐振电容值，降低电流有效值。比如，LLC谐振变换器中的双谐振电容。需要注意的是，增大电感值虽然可以降低电流纹波，但是可能需要更大的开关周期才能传输相同的功率，这无形中会增大磁性元件及系统的体积。

2）开关损耗及续流损耗

功率管的开关损耗分为开启损耗和关断损耗。当采用GaN功率管时，开启损耗往往大于关断损耗。降低功率管的开启损耗，目前常用的方法是采用准谐振拓扑或全软开关拓扑。功率管实现软开关的精髓在于导通之前存在体二极管的续流电流。虽然通过软开关可以降低开启损耗，但是需要注意的是死区时间的设置。死区太小，软开关可能无法完全实现；死区太大，体二极管续流损耗较大，得不偿失，。因此，目前控制芯片常常采用自适应死区的方式去控制死区时间的大小。在采用负压关断的GaN器件中，由于反向导通电压更大，需要更加注意这个问题。

对于功率管的关断损耗，可以采用一些能够实现ZCS关断的辅助威廉希尔官方网站 。或者，通过降低功率管关断前的电流也能降低关断损耗。比如LLC中较大的励磁电感，可以实现较小的死区电流，这样关断损耗也更小。

3）变压器的铜损和磁损

变压器的铜损和功率管的导通损耗一样，都与流过的电流和阻抗有关。减小电流的方法类似。降低变压器的导通阻抗就是降低绕组的直流电阻和交流电阻。减小直流电阻，最直接的方式就是避免过长的绕组长度。在平面变压器中，如果一层双匝，还可以通过增大外匝减小内匝宽度的方法降低直流电阻。

交流电阻的大小与绕组的绕制方式有关。一般来说，顺序绕制方式要大于交错型的绕制方式。因此，多采用三明治结构的绕组，可以有效的降低交流电阻。

变压器的磁损是感应电流在磁芯上产生的损耗，包括涡流损耗和磁滞损耗。涡流损耗取决于铁磁材料的电导率，与激磁电流工作频率的平方成正比，与磁通密度大小的平方成正比。磁滞损耗就是磁滞回线包围的面积，与激磁电流的工作频率成正比，也与磁通密度大小的平方成正比。因此，降低磁损可以通过降低频率和磁通密度来实现。但是降低频率增大磁芯体积，降低磁通密度需要增大匝数，在实际使用中需要折中处理。

4）二极管整流损耗

二极管整流与流过二极管的电流和两端电压有关。在威廉希尔官方网站 参数确定的情况下，电流较难改变。因此，可以通过正向压降较小的二极管降低整流损耗。目前，由于具有更小的导通阻抗和导通压降，常用功率管代替二极管实现整流功能。通过控制功率管的开通和关断，实现和二极管相同的功能。比如图腾柱PFC，同步整流控制等。在图腾柱PFC等整流威廉希尔官方网站 中，主要考虑的损耗开关损耗及死区损耗是否能够有效降低。在同步整流控制中，目前常采用的方案是通过检测Vds电压实现功率管的开通关断。难点在于如何降低开通之前和关断之后体二极管续流时间，以及高频下寄生电感带来的关断点提前的问题。目前论文中常见的自适应方式往往需要复杂的威廉希尔官方网站 及控制算法才能实现。

5）驱动、采样及控制威廉希尔官方网站 损耗

驱动损耗与功率管的驱动电阻、电荷Qg及开关频率有关。降低驱动损耗可以通过选择较小Qg的功率管，比如GaN器件。或者，通过降低开关频率实现。在实际设计过程中，尽可能的选择高度集成的控制器，可以有效的降低该部分损耗。

损耗的降低及效率的提高，主要是为了能够使系统的热量能够在有限的体积中释放出去，有关电源系统功率密度的提升将在一次分享。

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