当今,电子设计的口号是微型化。 我们想要在尽量小的空间内获得尽量多的功能性。 在现代开关电源 (SMPS) 中,过滤所需的电感器和电容器将比设备里其他部分占据更大的空间。 适当值和这些无源元件的尺寸将与开关频率成反比。 因此,更高的开关速度是实现减少元件尺寸和节省空间目标的最佳方法。
这还将带一个必然优势,即使用空芯电感器,而不是带有金属核心的电感器。 这不仅可减少与金属核心相关的损失,还将大幅度降低设备价格,以及降低制造难度。 此外,因为只需相对较小的电容值,通常并不需要棘手的电解电容器。
开关损失
使用更高开关频率的固有问题是 MOSFET 开关本身的损失,大部分可归因于位于 MOSFET 半导体内的内部电容,这是不可避免的。通常可将这些损失描述为开关压力的后果。 不幸的是,该效应随频率增长;每次打开或关闭开关时,便会产生电力的损失。 其中一些效应,特别是 EMI 和 RFI,可通过使用所谓的缓冲电路来减轻,但整体效率还是有所影响。 最终结果是脉冲宽度调制 (PWM) 转换开关被有效限制在 1 MHz 左右的频率。 从另一方面来说,共振转换器可在 VHF 范围、100 MHz 或更好的频率范围内运转。
软开关
共振转换或软开关是解决开关损失的一种方法。 该战略需要 MOSFET 开关在尽可能接近能横跨整个面的零电压和零电流 (ZVZC) 的点进行转换。 而这确实需要一些非常复杂的控制电路。 更简单和容易的实施解决方案是在零电流 (ZCS) 或零电压 (ZVS) 进行转换。 ZVS 的一项劣势是损失并不与输出负载成比例降低。 而另一方面,通常来说,ZCS 被限制在它可运行的频率范围内。 毫无意外的是,最多人认为 ZVS 是执行甚高频共振转换的方法。
实施是相当复杂的,但从基础层面来说,对概念进行解释是更简单的。 在两张图表中,S 代表半导体开关。
在电流模式中,通过关闭开关来开始共振行动,当开启开关时,它确保零电流 (ZCS)。 在电压模式共振开关,共振电容器与开关是以并行的方式直接联接的,确保零电压开关。
现在的 PWM 开关将调整工作周期作为控制输出电压的一种方法,(参见《开关电源供应实现效能新高》),与此不同的是,共振转换器通常依靠突发模式控制,而将运行的工作周期和频率设为常数。 通过这种方法来开启和关闭整个设备,以维持所需的输出电压。 开关所发生的速率比 VHF 速度低很多,在 VHF 速度时,设备是在内部工作的。 如下对此概念进行说明。
当输出超过所需的数值,设备关闭,而负载由 C 供电out。 当输出值充分地下降时,整个转换器恢复。 转换器开启和关闭的频率越高,工作的整体效率所受的影响越大。 更大型的电容器可容纳更大的电荷,可实现频率更低的开关。 这代表一种真实的设计权衡,庞大的电容器和更高的效率对比更小型的电容器和更低的效率。
设计考虑
升压转换器是 DC 至 DC 转换器,归还比适用输入电压更高的输出电压。 以相对缓慢速度工作的经典 SMPS 升压转换器如下所述:电源转换设备的拓扑。下列说明以75 MHz 工作的实验性升压转换器的电源部分原理图。
在上述例子,通过仔细选择 Lf、Lr、Ce 和 CR, 实现ZVS,因此,当开启 MOSFET 开关时,设备漏极和源出现的电压将升高,且在开关周期过一半时,电压将掉回零。 该设计确实依赖于固定工作周期和固定开关频率。
当开关关闭时,电压可为零,且在设备开启时,与时间相关的导数也必须为零,这是比较理想的。 这被称为 E 级开关,它也是非常重要的设计目标,因为开关半导体所代表的减少压力将再次转化为更少的杂散电磁辐射。
还有开发中的许多其他方法。 在一种版本中,向逆变器添加电感器和电容器,以和固定开关频率的谐波共振,在重要时形成漏极至源电压,以释放开关压力。 在所有情况下,因输出电压已被控制,从本质上来说,通过每秒多次开启和关闭设备,一项重要的考虑便是,任何此类设计一定要在尽可能少的周期内实现稳定状态输出。 通过将转换器的整流器部分设计成,尽可能以逆变器部分的纯粹电阻器的形式出现,也可增强稳定性。
VHF 共振转换设备的主要功效并不在于实现比经典 SMPS 更大的效率。 他们所提供的优势是,更小的尺寸和大幅度更低的 EMI和RFI,这在一系列广泛的应用中是相当重要的。 在此时,关于此话题的快速网络搜索将会首先出现学术研究文章,说明这些类型的设备只是开始走向最终商业化的旅程。