今天給大家分享的是：開關電源損耗與效率、開關晶體管損耗、開關變壓器損耗。

一、開關電源的損耗

開關電源的損耗主要來自三個元件：開關晶體管、變壓器和整流二極管。

1、開關晶體管損耗

主要分為開通/關斷損耗兩個方面。開關晶體管的損耗主要與開關管的開關次數有關，還與工作頻率和負載特性有關。如果開關時間增加一倍，開關管的損耗將增加約2～3倍，而開關管的損耗與開關電源的工作頻率成正比。

2、開關變壓器的損耗

主要包括磁滯損耗、渦流損耗和銅損。開關變壓器的渦流損耗和變壓器線圈的銅損與工作頻率的平方成正比，而磁滯損耗除與工作頻率外還與磁通密度的1.6次方成正比。

3、整流二極管的損耗

主要由兩部分組成：正向導通損耗和反向恢復損耗。整流二極管的正向損耗與整流二極管的正向壓降有關，而反向恢復損耗與二極管的反向恢復時間有關。

以上三種損耗占開關電源總損耗的20%以上。如何降低開關晶體管和變壓器的損耗，提高效率，是每個工程師在設計的時候都會考慮到的問題。

二、開關晶體管損耗

開關晶體管的損耗主要包括開通損耗和關斷損耗。

開關晶體管電路

1、開關晶體管的等效電路

開關晶體管的等效電路

三極管（或MOSFET）的輸入可以等效為一個電容并聯一個電阻，其輸入電壓為：

輸入電壓公式

三極管（或MOSFET）導通時，輸出端可以等效為一個電感并聯一個電阻；三極管截止時，可以等效為一個電容與一個電阻并聯；其輸出電壓為：

輸出電壓公式

集電極電流為：

集電極電流公式

2、開關晶體管開通/關斷過程——純阻性負載

純阻性開關電路

三極管開關特性參數：

(1) 延遲時間 t d

當輸入信號 Vin 變為正時，集電極電流Ic上升到其最大值 Icm 的 10%所需的時間。

(2) 上升時間 t r

集電極電流Ic從其最大值 Icm 的 10% 上升到 90%所花費的時間。

(3) 存放時間 t s

當輸入信號 V in變為負時，峰值集電極電流 I cm降至其值的 90%所需的時間。

(4) 下降時間 t f

集電極電流Ic從其最大值 Icm 的 90% 下降到 10%所花費的時間。

純阻性負載的開關損耗

3、 開關晶體管導通/關斷過程-反激式輸出電源

反激式開關電源

采用反激式開關電源，流過開關管的電流是鋸齒波。起初開關管導通，流過變壓器初級線圈的電流很小，但在變壓器關斷前電流變得很大。因此晶體管在導通時間（t d和t r）的損耗很小，而在關斷時間（t s和t f）的損耗很大，相差幾十倍。

反激式開關模式電源的開關損耗

4、開關晶體管導通/關斷過程-正向輸出電源

正向開關電源

對于正向開關電源，流過開關管的電流是梯形波形。起初開關管導通，流過變壓器初級線圈的電流比較大。它在晶體管關閉之前變大。因此，開關管在導通初期（t d和t r）和關斷期間（t s和t f）的損耗均大于反激式開關電源。
降低開關損耗的一種方法是盡可能縮短晶體管的導通/關斷時間，尤其是關斷時間，另一種方法是降低工作頻率。

正激式開關電源的開關損耗

5、開關時間對開關損耗的影響

增加開啟/關閉時間會同時增加開關損耗

純阻性負載的開關損耗與開關管的四次開關次數成正比。因此增加晶體管的導通/關斷時間會同時降低開關電路的電壓和電流上升率。也有利于降低開關電源的輻射干擾，但會增加晶體管的開關損耗。
在感性負載中，正激式和反激式開關電源的開關損耗不同。

開關電路各點的波形和損耗

三、開關電源變壓器損耗

1、單極開關電源變壓器磁芯的磁滯回線

單極開關電源變壓器磁芯的磁滯回線

上圖為單極開關電源正常工作時變壓器鐵心的磁化曲線（磁滯回線）。當勵磁電流對鐵芯進行磁化時，磁通密度沿磁化曲線abc變化。在這種情況下，磁通密度隨著磁場強度的增加而增加。退磁時，磁通密度和磁場強度沿磁化曲線cda變化。在這種情況下，磁通密度隨著磁場強度而降低。

一方面，當脈沖寬度一定時，勵磁電流和退磁電流產生的磁場強度大小相等方向相反，因此磁滯環的兩端（a和c）為基本穩定。另一方面，磁滯回線的兩端會隨著脈沖寬度的變化而變化。

2、變壓器鐵芯的選擇

各種變壓器鐵芯的工作頻率范圍

關于變壓器鐵芯的選擇，我們主要考慮體積、工作效率、可靠性、成本等方面，其中必然涉及到變壓器鐵芯的諸多參數，如：最大磁通密度Bm（或磁飽和磁通密度B s )、最大磁導率μ m、有效磁導率μ e、矯頑力H m和渦流損耗等。這些參數基本上與工作頻率有關，尤其是渦流損耗P e和磁滯損失 P h。

審核編輯：湯梓紅