开关电源是一种采用开关进行控制的直流稳压电源。它以小型化和高效率的特点被广泛应用于几乎所有的电子设备中,正逐渐成为当今电源技术中的一种主流电源方式。但这种电源目前在技术上仍有诸多问题有待解决,既要保持开关电源现有的高效率特性,又要更进一步地提高其效率,正是所需攻克的课题之一。

提高并保持开关电源的效率,直接受开关电源本身的限制。如电源设备的小型化主要通过高频化和高密度化来实现,电路内的半导体开关存在着开、关损耗,而这种损耗与开关频率成正比关系,因此,高频化会增加半导体开关的损耗;高密度化也会因散热面积的减小而导致温度升高,从而影响开关电源的效率,也影响它的可靠性。只有提高效率,才是保证开关电源可靠性的最有效的方法;只有找出使开关电源效率降低的原因,才能解决提高开关电源的效率问题1。

1开关电源效率降低的主要原因

1.1开关管的驱动方法有问题

(1) 过驱动;(2)欠驱动;(3)反向偏置电流不够。

1.2变压器或扼流圈有问题

(1)变压器铁心的饱和;(2)变压器原边和副边线圈间的漏电感太大;(3)线圈或铁心选择不当;(4)将多股绕制时因绕线错误造成圈数不等的线圈并联使用;(5)铜损与铁损的不平衡。

1.3吸收电路的参数不合适

1.4整流管特性方面的问题

(1)整流管的压降太大;(2)整流管的反向恢复时间太长。

1.5其他辅助电路引起的问题

(1)辅助电路的功率损耗太大;(2)假负载电流太大;(3)控制电路的异常振荡。

等等,如图1所示。

提高开关电源效率的途径

1通过改进开关管的驱动方法提高效率

开关管的损耗与其基极的驱动电压、电流的波形有直接的关系,理想的基极驱动波形如图2所示。

在脉冲的前沿,使开关管的基极流过尖峰电流lbp的目的是缩短开始导通到完全导通所需的接通时间,来减小开关管的功率损耗。

基极电流Ib1是使开关管持续导通所需的,当Ib1大时,发射极–集电极间饱和压降减小,若Ib1太大,则开关管的关断特性变差,通常的理想值是Ib1为lc的1/5,如果集电极电流随时间变化时,基极电流最好保持与集电极电流成比例变化。比例的变化可采取电流互感器加上正反馈的方法,在单管电路中,也可采用如图3所示的电路,使基极电流I对集电极电流c按照Ib=icN1/N2的关系变化。

为防止因基极电流太大而增加开关管的存储时间,可采用图4的反向箱位电路。这种电路,当基极电流上升到使开关管的饱和压降低于Uw时,二极管D,导通,阻止基极电流的进一步增加,可有效地防止过驱动。

在开关管关断时,从图2所示的波形看,采取加反向偏压的方法,可将开关管导通期间积累在基区的载流子吸出,缩短开关管存储时间,是提高效率极其重要的方法。

图5就是施加反向偏压的电路。在电路中,当开关管关断时,使T.z管导通,将反向电压加于开关管的基极上。

2通过改进吸收回路来提高效率

给开关管附加吸收电路,可防止开关管在关断瞬间发射极和集电极间出现迅猛上升的电压,保证不超出发射极–集电极电压的安全工作范围,同时也减少向外发出的干扰。但这种吸收电路如果一味地减小开关管的关断功耗，当开关管接通时,吸收电路放出其中积蓄的能量,反而增加功率损耗,造成效率降低。因此,改进吸收回路也是提高效率的-一个重要方面。常用的改进吸收回路有两种形式，即有内部损耗的和能把吸收功率送回电源的。

(1)有内部损耗的改进吸收回路如图6所示。图6(a)的电路在开关管关断瞬间有电流流过电容C和二极管D,使开关管的发射极-集电极间的电压上升速度减慢。电阻R在开关管接通瞬间,将电容C上的电荷迅速消耗,并对开关管集电极电流限流。二极管D在开关管关断时,将电阻R短路以提高电容C的电压吸收效果。

图6(b)是将变压器T的原副边积蓄的能量转.移到电容C上,然后用电阻R将这部分能量消耗掉,也可把电阻R换成稳压二极管D,以避免能量的消耗。

(2)能把吸收功率送回电源的改进吸收回路如图7所示。

只要利用这些方法,将吸收回路中吸收的能量送回电源,就可获得高效率,如将这些电路组合使用效果会更好。

3通过其他途径也能提高效率

除选好开关管之外,还要选好整流二极管,其目的是为了减少管子损耗。因为整流二极管的损耗是由二极管的特性决定的.所以必须选用正向压降低、反向恢复时间短的二极管,在二极管的损耗方面,要注意在二极管电流上升速度快时,会出现暂态正向压降上升、损耗增加的问题。若是在辅助电源的小电流电容输入式整流电路中,把两只相同的二极管串联,虽然正向压降增加一倍,但开关损耗却降低了。

变压器和扼流圈只要符合优化设计条件,就不会对效率产生很大的影响。另外,为了减小铁心损耗,选用铁心材料时尽量选用高频低损耗的,如H7c1、H7c4、SB7等等。

综上所述,提高开关电源效率的各种方法较多、但大多为单一性方法。由于缺少方法的综合性,提高开关电源效率的效果有限。目前,提高开关电源效率切实可行的途径,只能在器件材料的选用和电路的优化设计上。