把开关电源的频率无限提升,会发生怎样的情况

来源: 东准电源 人气:1105 发表时间:2021/07/12 14:42:33

  1、器件的限制

  对于一个开关管来说,在实际应用中,不是给个驱动就开,驱动撤掉就关了。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,对应的波形如下:


  通俗的讲,开关管开通关断不是瞬间完成的,需要一定的时间,开关管本身的开关时间就限制了开关频率的提升。


  曾经笔者在delta用在3kW的逆变器上的一款600V的coolmos为例。看看这些具体的开关时间是多少


  那么对于这个mos管来说,它的极限开关频率(在这种极限情况下,mos管刚开通就关断)fs=1/(16+12+83+5)ns=8.6MHz,当然,在实际应用中,由于要调节占空比,不可能让开关管一开通就关断,所以实际的极限频率是远低于8.6MHz的,所以器件本身的开关速度是限制开关频率的一个因素。


  2、开关损耗

  当然,随着器件的进步,开关管开关的速度越来越快,尤其是在低压小功率场合,如果仅考虑器件本身的开关速度,开关频率可以run得非常高,但实际并没有,限制就在开关损耗上面。


  可以看到,开关管每开通一次,开关管DS的电压(Vds)和流过开关管的电流(Id)会存在交叠时间,从而造成开通损耗,关断亦然。假设每次开关管每开关一次产生的能量损耗是一定的,记为Esw,那么开关管的开关损耗功率就为Psw=Esw*fs,显然,开关频率越高,开关损耗越大。5M开关频率下开关损耗比500K要大10倍,这对于重视效率的开关电源来说,显然是不可接受的。所以,开关损耗是限制开关频率的第二因素。


  开关损耗确实是限制因素之一,但是氮化镓器件的推出已经让开关损耗在1-3Mhz这个范围内变得可以接受,我下面附一张图片,这是三家公司推出的650V的GaN device,可以看出最好的管子开通损耗已经4uJ,关断损耗在8uJ(测试条件在400V, 12A),甚至有家公司的650V的管子基本可以和Transphorm平齐。而同电压电流等级的硅器件很多管子都还在以mJ为单位。


  还有一点很重要,宽禁带半导体的工作结温很高,以目前的工艺来说,Sic的结温可以工作到200°,氮化镓可以工作到150°。而硅器件呢,我觉得最多100°就不得了。结温高,意味着相同损耗下,需要给宽禁带半导体设计的散热器表面积要小很多,何况宽禁带半导体的损耗本身还小。


  是开关频率的提高,往往只能使用QFN或者其他一些表贴器件减少封装寄生参数,这给散热系统带来了极大的挑战,原来To封装可以加散热器,减少到空气对流的热阻,而现在不行了。所以如果想在高频下工作,第一问题就是解决散热,把高开关损耗导出去,尤其是在kW级别,散热系统非常重要。现在学界解决这个问题的手段偏向于把器件做成独立封装,采用一种叫DCB的技术,用陶瓷基板散热,器件从陶瓷上表面到下表面的热阻基本为0.4°C/W(有些人也用metal core PCB, 但是要加绝缘层,热阻一般在4°C/W),而FR4为20°C/W。

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