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【原创】电源效率讨论系列一:次级整流二极管的损耗

  • 2010-07-29 09:50
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  • 经常听到很多的工程师说自己做的电源效率很高,符合全世界所有的标准。

    听到这些话之后,我心里在想:作为工程师,技术参数永远是我们追求的目标,但是我们更关注的是产品的成本,本公司的生产工艺水平,生产操作方便性,参数性能的一致性等等的问题,因为只有这样,我们开发出来的产品采用更有竞争力。

    扯远了,回到正题;电源效率一直是我心中的痛,相信很多的工程师也比较纠结。论坛里面也有过讨论,但是都不深入,我想在本帖里面作一次比较深入的讨论。

    我们可以从各个方面来讨论,请大家畅所欲言

    后续的讨论:

    电源效率讨论系列二:磁性元件的损耗

    电源效率讨论系列三:变压器绕制工艺

     

    同是电子工程师,请一定不要吝啬你的赞!

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  • 心中有冰

    LV.1

    2010-07-29 09:58

    @

    我先来抛个砖,希望能引到玉。

    大功率电源与小功率电源中,次级整流二极管的损耗都是提高效率的一个瓶颈(在此不讨论同步整流,因为同步整流要提高成本),我们如何将整流二极管的损耗降低到一个可接受范围?

    大家自然想到加吸收电路,那么问题就来了:

    1、什么情况下要加吸收

    2、加什么样的吸收?增加电容,增加RC吸收,整流二极管套磁珠,整流电路上串饱和电感

    3、什么情况下,吸收才是比较理想的,怎么判断?

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  • sometimes

    LV.1

    2010-07-29 10:27

    @心中有冰

    我先来抛个砖,希望能引到玉。

    大功率电源与小功率电源中,次级整流二极管的损耗都是提高效率的一个瓶颈(在此不讨论同步整流,因为同步整流要提高成本),我们如何将整流二极管的损耗降低到一个可接受范围?

    大家自然想到加吸收电路,那么问题就来了:

    1、什么情况下要加吸收

    2、加什么样的吸收?增加电容,增加RC吸收,整流二极管套磁珠,整流电路上串饱和电感

    3、什么情况下,吸收才是比较理想的,怎么判断?

    那好吧,首先问个问题,二极管的RC sunbber,应该怎么计算设计?

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  • 让你记得我的好

    LV.1

    2010-07-29 10:37

    @

    我先说说我的观点:

    1,个人认为效率不是绝对的。我刚开始进入电源这个行业的时候,最在乎的就是效率这个指标了。但时间长了,对效率开始变得比较迟钝了。我觉得要从电源的整体指标去看了。电磁兼容、稳定与可靠更重要。特别是对小功率电源来说,效率似乎更不是那么重要。

    2,次级整流二极管的损耗主要体现在两个方面,一是导通损耗,二是反向恢复。从导通损耗的角度来看,耐压比较低的二极管,导通压降也比较低。也就是说,选择二极管的时候,耐压在保证够用的情况下,不要选的过高。另外,PN结随着温度上升,压降会降低,那么是不是意味着,在保证二极管结温安全的前提下,不妨让结温维持在比较高的温度,散热不要做的过分的好?二极管开关时,反向电流有两个来源,一是结电容电流,二是反向恢复电流。有时候,为了选择导通损耗低的二极管,过分选择大电流的二极管,反而因为二极管的结电容大,结果二极管反向恢复时,结电容流过的电流也大,从而得不偿失。从PN结的反向恢复来说,当然是选择反向恢复速度快,恢复特性软的二极管比较好。

    3,恢复特性造成二极管上有尖峰电压。尖峰电压会导致二极管损坏或EMC不好过。所以有时候是必须加吸收电路的。同样,为了提高效率,尽量用损耗低的电路。

    4,从整体来说,小功率场合用的反激电路,就尽量设计在DCM模式,避免反向恢复问题,就可以不加RC了。还有,能用肖特基就不要用快恢复。

    5,从变压器设计的角度来看,如果输出电流很大,电压较低,那么用全波整流效率会比用桥式要合理一些。

    先谈这些吧。

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  • 心中有冰

    LV.1

    2010-07-29 10:55

    @sometimes

    那好吧,首先问个问题,二极管的RC sunbber,应该怎么计算设计?

    个人认为RC吸收的本质是转移损耗

    由于电容两端的电压不能突变,故可以抑制电压尖峰,而电阻纯粹是一个阻尼振荡的作用

    对于计算业界一直不推荐,大都是采用测试法,因为计算出来的跟实际的还是有差异

    调试方法记得CMG以前说过,先测量振荡波形,读出振荡频率,然后加C,使振荡频率减半,再计算电路的寄生电容、电感,最后根据振荡电路的特征参数来确定串联电阻的大小,或直接接电阻试验,直到振荡基本消失为准

     

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  • 心中有冰

    LV.1

    2010-07-29 11:02

    @让你记得我的好

    我先说说我的观点:

    1,个人认为效率不是绝对的。我刚开始进入电源这个行业的时候,最在乎的就是效率这个指标了。但时间长了,对效率开始变得比较迟钝了。我觉得要从电源的整体指标去看了。电磁兼容、稳定与可靠更重要。特别是对小功率电源来说,效率似乎更不是那么重要。

    2,次级整流二极管的损耗主要体现在两个方面,一是导通损耗,二是反向恢复。从导通损耗的角度来看,耐压比较低的二极管,导通压降也比较低。也就是说,选择二极管的时候,耐压在保证够用的情况下,不要选的过高。另外,PN结随着温度上升,压降会降低,那么是不是意味着,在保证二极管结温安全的前提下,不妨让结温维持在比较高的温度,散热不要做的过分的好?二极管开关时,反向电流有两个来源,一是结电容电流,二是反向恢复电流。有时候,为了选择导通损耗低的二极管,过分选择大电流的二极管,反而因为二极管的结电容大,结果二极管反向恢复时,结电容流过的电流也大,从而得不偿失。从PN结的反向恢复来说,当然是选择反向恢复速度快,恢复特性软的二极管比较好。

    3,恢复特性造成二极管上有尖峰电压。尖峰电压会导致二极管损坏或EMC不好过。所以有时候是必须加吸收电路的。同样,为了提高效率,尽量用损耗低的电路。

    4,从整体来说,小功率场合用的反激电路,就尽量设计在DCM模式,避免反向恢复问题,就可以不加RC了。还有,能用肖特基就不要用快恢复。

    5,从变压器设计的角度来看,如果输出电流很大,电压较低,那么用全波整流效率会比用桥式要合理一些。

    先谈这些吧。

    说得好,果然引来了美玉

    提高效率,不是等到产生了尖峰,才考虑怎样去吸收它,而是在设计之初就从各方面去考虑让电路尽量少产生di/dt与du/dt的干扰

    当然由于器件本身特性引起的干扰,我们还是有必要去限制

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    LV.1

    2010-07-29 11:03

    @心中有冰

    个人认为RC吸收的本质是转移损耗

    由于电容两端的电压不能突变,故可以抑制电压尖峰,而电阻纯粹是一个阻尼振荡的作用

    对于计算业界一直不推荐,大都是采用测试法,因为计算出来的跟实际的还是有差异

    调试方法记得CMG以前说过,先测量振荡波形,读出振荡频率,然后加C,使振荡频率减半,再计算电路的寄生电容、电感,最后根据振荡电路的特征参数来确定串联电阻的大小,或直接接电阻试验,直到振荡基本消失为准

     

    是的,是有类似的计算方法,基本还算合理。

    不过对于RC是否是纯粹的转移效率,我为此作过一次实验,RC参数不合理能降低效率,但是合理的RC反而能提升效率。

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  • 心中有冰

    LV.1

    2010-07-29 11:07

    @sometimes

    是的,是有类似的计算方法,基本还算合理。

    不过对于RC是否是纯粹的转移效率,我为此作过一次实验,RC参数不合理能降低效率,但是合理的RC反而能提升效率。

    版主可否说明下,在不合理的RC情况下,到底是C还是R选取不合理?
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    LV.1

    2010-07-29 11:16

    @心中有冰

    版主可否说明下,在不合理的RC情况下,到底是C还是R选取不合理?

    C越大,会带来越大的损耗,而且当R阻尼不够时,反而会引起严重震荡。但是C太小,吸收尖峰的能力却不够。我翻遍了网上的文章,基本确定方式,就是你上面所说的,测量加计算,再调试的办法。是个折中的选择。

    比较通用简单的设计办法是:在没有加吸收之前,测试震荡频率,假如频率是f,那么开始并电容,并了电容震荡频率自然下降,那么并多少电容呢?并了电容C之后让震荡频率变为原来的一半,就是0.5f。

    这样就可以根据以上参数算出引起震荡的另外一个参数,电感L。最后取R=(L/C)开根号。

    关于RC是否能提升效率,我以前也认为不行,但偶尔有次看了一篇论文,说RC能提高效率。为此,专门找了台电源,做实验,在使用了很多RC参数发现,在某些RC参数下,电源效率确实提高了一丁点。反复实验,证实了这一点,但这参数,并不和上面的方法确定的参数完全吻合。

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  • 心中有冰

    LV.1

    2010-07-29 12:04

    @sometimes

    C越大,会带来越大的损耗,而且当R阻尼不够时,反而会引起严重震荡。但是C太小,吸收尖峰的能力却不够。我翻遍了网上的文章,基本确定方式,就是你上面所说的,测量加计算,再调试的办法。是个折中的选择。

    比较通用简单的设计办法是:在没有加吸收之前,测试震荡频率,假如频率是f,那么开始并电容,并了电容震荡频率自然下降,那么并多少电容呢?并了电容C之后让震荡频率变为原来的一半,就是0.5f。

    这样就可以根据以上参数算出引起震荡的另外一个参数,电感L。最后取R=(L/C)开根号。

    关于RC是否能提升效率,我以前也认为不行,但偶尔有次看了一篇论文,说RC能提高效率。为此,专门找了台电源,做实验,在使用了很多RC参数发现,在某些RC参数下,电源效率确实提高了一丁点。反复实验,证实了这一点,但这参数,并不和上面的方法确定的参数完全吻合。

    佩服你对技术的认真态度!

    其实我也有过测试,发现把振荡完全压制效率不是最高的,让波形稍微有点振荡,对效率反而有好处

     

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  • bode

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    2010-07-29 14:36

    @让你记得我的好

    我先说说我的观点:

    1,个人认为效率不是绝对的。我刚开始进入电源这个行业的时候,最在乎的就是效率这个指标了。但时间长了,对效率开始变得比较迟钝了。我觉得要从电源的整体指标去看了。电磁兼容、稳定与可靠更重要。特别是对小功率电源来说,效率似乎更不是那么重要。

    2,次级整流二极管的损耗主要体现在两个方面,一是导通损耗,二是反向恢复。从导通损耗的角度来看,耐压比较低的二极管,导通压降也比较低。也就是说,选择二极管的时候,耐压在保证够用的情况下,不要选的过高。另外,PN结随着温度上升,压降会降低,那么是不是意味着,在保证二极管结温安全的前提下,不妨让结温维持在比较高的温度,散热不要做的过分的好?二极管开关时,反向电流有两个来源,一是结电容电流,二是反向恢复电流。有时候,为了选择导通损耗低的二极管,过分选择大电流的二极管,反而因为二极管的结电容大,结果二极管反向恢复时,结电容流过的电流也大,从而得不偿失。从PN结的反向恢复来说,当然是选择反向恢复速度快,恢复特性软的二极管比较好。

    3,恢复特性造成二极管上有尖峰电压。尖峰电压会导致二极管损坏或EMC不好过。所以有时候是必须加吸收电路的。同样,为了提高效率,尽量用损耗低的电路。

    4,从整体来说,小功率场合用的反激电路,就尽量设计在DCM模式,避免反向恢复问题,就可以不加RC了。还有,能用肖特基就不要用快恢复。

    5,从变压器设计的角度来看,如果输出电流很大,电压较低,那么用全波整流效率会比用桥式要合理一些。

    先谈这些吧。

    一群旅团长在这讨论的好热烈啊,小小不才,也来凑凑热闹。

    就关于 让你记得我的好 大师的观点逐条提出几点疑问(话说你这ID 真长)。

    1、效率和功率密度,永远都是衡量一个公司研发水平和工艺水平的一个标杆,无论功率大小。即使小功率,也可以采用调频控制的单管准谐振,对电磁兼容大大好处。

     

    2、第二条是疑问比较多的。按照斑竹的意思,二极管的反向电流有两个:一个是结电容电流,一个是反向恢复电流。那么反向恢复电流从何而来?是因为二极管导电是多子和少子共同参与的,当从整偏转向负偏时,少子要复位。这本身就是内部寄生电场的充放电过程,就因为内部存在寄生电场,所以才会有结电容存在。所以我认为,结电容电流和反向恢复电流,其实是同一个电流。

     

    3、反向恢复特性会造成二极管上有反向的恢复尖峰电流,至于会不会形成尖峰电压,有待讨论。就是说,这个尖峰电压,到底是由变压器次级漏感引起,还是由反向恢复引起?按照斑竹的意思,不存在反向恢复,就不会存在这个反向尖峰。那么,肖特基不存在反向恢复,但这个尖峰电压依然存在。

    4、我觉得不能因为反向恢复问题,就采用DCM模式。DCM模式的初级电流尖峰大,造成的铜损大,变压器效率低。所以,一般CCM模式要比DCM模式效率高。鉴于本贴是要讨论效率问题,我觉得反激还是尽量工作在CCM模式比较好。如果是高压小电流输出,那就是DCM模式比较好。

    5、低压大电流输出,就用同步整流好了。

     

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