开关电源兴趣小组 第4次任务

  上次我们我们发布了《开关电源兴趣小组第03次任务》，安排了阅读任务，并布置了一些思考题6、 电感的损耗。阅读内容中未提及电感磁心的损耗，所以我们只考虑绕组的损耗，不考虑磁心的损耗。7、 电容中的损耗，包括电容漏电流的损耗(通常可忽略)以及电容寄生电阻所产生的损耗。

  Buck电路中，开关管两端电压和通过开关管电流波形如上图。图中蓝色线为电压波形，红色线为电流波形。

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  一个周期中，从tA到tB，MOS管处于关断状态，管子两端电压相当高但通过电流几乎为零(MOS管漏电流很小，通常只有几十微安的数量级)。所以耗散功率即电压电流乘积很小。从tC到tD，MOS管处于充分导通状态，电流相当大但管子两端电压很小。这是因为MOS管导通电阻很小，所以导通状态管子的功率耗散也比较小。对双极型管和IGBT，上述结论大致也成立。而且，关断状态和导通状态的功率耗散与开关频率(也就是每秒开关的次数)无关。但从tB到tC以及tD到tE，情况则完全不同。开关过程中，管子两端电压和通过的电流均不为零，所以功率耗散比较大。而且，开关过程是每个周期两次。所以，开关过程的损耗与开关频率有关，几乎和开关频率(也就是每秒开关的次数)成正比。续流二极管的正向压降近似为定值，而且只有在正向电流流过时才会有导通损耗。显然正向导通损耗与开关频率无关。但反向恢复时间内的损耗则不然。每次续流二极管从正向转入反向时都会产生一次。所以续流二极管反向恢复时间内的损耗与开关频率(也就是每秒开关的次数)成正比。电感绕组中的损耗分为铁损和铜损。铁损我们因为未提磁心的特性，暂时不考虑。铜损就是绕组中阻的损耗。频率高时，由于所谓“趋肤效应”，电流会向导线的表面集中，而导线中心电流很少。这样就使导线表面附近电流密度增加，损耗加大。但是另一方面，开关频率降低，为维持Buck电路工作于电流连续状态(电流断续状态很难使用，且对功率开关管和续流二极管要求稍高)就要求使用更大的电感量，为获得更大的电感量，势必要增加绕组匝数，即使使用同样粗细的导线，也会使得电感绕组电阻损耗增加。最后讨论电容中的损耗。非理想电容具有等效电感和等效电阻。等效电感并不产生损耗，但等效电阻却是耗能的。频率越高，通过电容的交流电流越大，等效电阻上的损耗也越大。所以电容上的损耗也与频率有关，近似与频率成正比。这一点在Buck电路中通常不太明显，但在Boost电路和反激电路中很明显(电容会发热)。所以，前述第3、5、7项损耗肯定随开关频率的增加而增加。至于第6项电感绕组中的损耗，情况相对来说比较复杂，以我们目前的知识范围，还要进一步学习和讨论。第04次活动，请各位阅读《开关电源设计 第三版》第1章第3.4节“Boost开关调整器拓扑”。第1.4.5小节暂不必看(该小节说反激拓扑是由Boost拓扑发展而来，此观点存在一些争议)。建议同时阅读《双向直流变换器》的2.1.2节“Boost直流变换器”。在那本书中同时讲Boost变换器的两种工作状态。这一节共包括五小节。第1.4.4小节谈到了铁心的磁滞回线。如果对铁磁性材料的特性不了解，请参看赵修科老师《开关电源中磁性元器件》一书的第四章“软磁材料”。此书已经放到了云盘中，可以下载。Boost电路和Buck电路相似，都是那么几个元器件，只不过开关管、二极管和电感的位置不同。实际上，非隔离开关电源的三种基本拓扑(还有一种Buck-Boost拓扑)，都有相类似的地方，仅仅是开关管、二极管和电感的位置不同，但这三种电路的工作原理却各不相同。我们掌握了Buck电路的工作后，再继续学习Boost电路应该不困难。第04次思考题第04次阅读内容，主要是Boost电路中各元器件在一个开关周期中的工作状态。假定电路已达到稳态，即每个开关周期中电压电流的变化均与前一个周期相同。1、理想的Boost电路，在开关管始终关断情况下(也可以说占空比为0)，输出电压是多少？作为对比，Buck电路在开关管始终导通情况下，输出电压是多少？2、实际的电路中，如果Boost电路开关管始终导通，会发生啥情况？作为对比，Buck电路开关管始终关断，会发生啥状况？3、理想的Boost电路中，开关管需要承受的最大电压是多少？作为对比，Buck电路开关管需要承受的最大电压是多少？4、理想的Boost电路中，开关管通过的最大电流(瞬时值)是多少？提示：与输出电压有关。作为对比，Buck电路中开关管通过的最大电流是多少？5、Boost电路中，二极管需要承受的最大反向电压是多少？一个周期内通过的平均电流是多少？6、你觉得Boost输出的纹波大还是Buck电路输出的纹波大？比较时显然应该在相同的输出滤波电容和负载电压电流情况下，并且都在电感电流连续情况下作比较。

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