提高开关电源功率密度和效率的方法

　　开关型电源（SMPS）在通常便携式计算机中占总重量的10%以上，因此，厂商们致力于提高功率密度和效率。为减小尺寸和重量，目前有三种方法：

　　①减小总功耗，以减小冷却部件（散热片或风扇）。

　　②提高开关频率，以减小无源元件尺寸和减小用来降低噪音的EMI滤波器尺寸。

　　③选用SiC肖特基二极管，以降低总功耗，提高开关频率，减小元件尺寸。

　　SMPS的开关频率对功耗的影响很大。如果采用软开关技术，能使半导体的导通或关断不出现突变，可降低器件的开关损耗，并允许较高的开关频率，但是需要附加无源元件。如果采用传统的硬开关技术，则其体积比软开关技术小很多。但是半导体器件的开关损耗限制了工作频率。换句话说，硬开关电源中的功率半导体器件必须显著地降低功耗才能达到较高的工作频率。这样，采用单极器件，如MOSFET和肖特基二极管比用双极器件有利，因为前者没有少子存贮效应。因此，理论上开关瞬态只受很小的寄生电容影响，器件开关的转换时间减小了，亦即减小了转换时间内同时出现的很高的瞬时电流和电压，可使开关损耗减至最小。硅肖特基二极管和标准的“超快速”功率二极管相比，前者具有低的正向压降和较好的正向和反向恢复特性。但是，较低的击穿电压限制它只能用于低压范围。

　　SIC肖特基二极管改变了上述情况。SiC具有很高的阻塞电压（达到3500V），比Si的带隙高3倍，击穿场高10倍，而热导率和铜相当。

　　这样，以功率MOSFET和SIC肖特基二极管组合的硬开关电路来发展高开关频率电路是可行的。

　　实验结果

　　英飞凌公司对硬开关的400WCCMPFC（连续传导型功率因数修正）升压型变换器进行了性能评价，变换器性能如下：

　　宽输入电压范围：85~265V

　　输出功率：400W

　　输出电压：385V

　　功率因数满足：EN61000-3-2

　　传导辐射满足：EN55011-B

　　SIC肖特基二极管：SDP04S60

　　C001MOS开关：SPP20N60C3

　　测量变换器的效率：140kHz时达到93%，500kHz时降到91.5%。总功耗分别是28W和34W。

　　实验表明，提高开关频率出现以下情况：

　　EMI滤波器，线路整流桥和分流电阻的功耗不变，因此这些元件的尺寸可以不变。

　　绕组损耗较低，PFC扼流圈功耗小，因此，它们的体积可进一步减小。

　　体电容引入较大的功耗，由于锁定（holdup）要求，故其容量和体积维持不变。

　　功率半导体的开关损耗显著增加，因此仍需增大散热片。

　　此外，在不同开关频率时，使用不同二极管的变换器总功耗也相同，例如：

　　在140kHz时，用SIC肖特基二极管取代普通超快速二极管，在输出功率400W时，可以降低总功耗8.7W，提高效率约2%。

　　用140kHz的SIC肖特基二极管取代70kHz的普通超快速二极管，可降低总功耗4W，提高效率1%以上。

　　用350kH的SIC肖特基二极管取代70kHz的普通超快速二极管，若维持相同的功耗和散热片，则可减小PFC扼流圈体积65%。