电力电子

第6篇追求更高效率的电源技术最前线

随着电源从线性式转变为开关式，革命性的高效和小型轻量化也得以实现。开关式的电源如今仍在不断进化。电力电子学就是与损耗（热损耗）的斗争。若要降低损耗，追求更高效率，就要在设备的元件和电路中投入各种技术和工艺。

开关电源的热损耗从何产生？
DC-DC转换器的创新“同步整流式”
减少热损耗和噪声的“软开关”设计思路

开关电源的热损耗从何产生？

电子设备的电源所使用的AC-DC开关电源包括将商用交流电转换为直流的AC-DC前端（整流平滑电路），以及将转换后的直流变压的DC-DC转换器（包括稳压电路）。虽说效率比线性式大幅提高，但AC-DC开关电源的效率一般也只能达到80%左右。各个电路元件的损耗通常在不到1%和个位数百分比之间，因为这些热损耗的共同作用，总效率才停留在80%左右。
以一般的AC-DC开关电源为例，损耗最大的是半导体元件和变压器。开关式电源会通过二极管（桥式整流器等）将交流电整流。这里会损耗约2%的能量，整流后的平滑电容器也会损耗约0.5%。
整流平滑后得到的直流会由开关元件变为脉冲电流，并由高频变压器变压。在开关元件方面，虽然如今已经采用了比功率晶体管电阻更低的小功率MOSFET，但因为有大电流流动，这里的损失仍然有2%左右。
变压器也是损耗较大的元件。每当高频脉冲电流经过线圈时，其核心内部都会发生剧烈的磁场变化。变压器的核心材料使用的是铁氧体，这是因为铁类核心材料在高频环境下会因涡电流损耗而大量发热，变得无法使用（这和电磁炉加热铁锅的原理相同）。不过，铁氧体的高频损耗虽说较小，但依然会造成约2%的核心损耗，因此就需要核心损耗尽可能小的铁氧体材料。此外，如果能让核心损耗变小，不仅能提高效率，还有助于实现变压器的小型、轻量化。铁氧体的特性会随频率和温度而变化，因此开发合适的铁氧体材料就变得非常重要。在这方面，历经常年积累的TDK铁氧体技术能够大显身手。DC-DC转换器部分也会因半导体元件、平滑电容器、控制集成电路等产生热损耗。

DC-DC转换器的创新“同步整流式”

电源的效率提升就类似于生活费的精打细算，尽可能地买便宜货减少花销，就相当于采用尽可能高效的元件和电路来降低损耗。不过，电源的设计并非“非黑即白”，还是要综合考虑性能、可靠性、成本等因素。近年来，业界开发出了效率解决95%的DC-DC转换器。实现了这种革命性高效的技术之一是称为“同步整流”的电路形式。让我们以降压转换器为例，简单地介绍一下它的原理。
如同本系列第3篇介绍的一样，降压转换器的开关元件为ON时，扼流线圈会储蓄能量，开关元件为OFF时，扼流线圈会放出能量。此时，因为二极管（导流二极管）的原因，电流的流行会保持单向。（见下图）。不过，二极管在开关时会有大电流经过，因此损耗相当大。并且，电路高速化所伴随的低压化也是二极管难以支持的，因此二极管被替换成了低电阻的功率MOSFET。功率MOSFET可作为开关元件，而同步整流式的降压转换器会通过控制集成电路，让功率MOSFET构成的2个开关同步。
所谓同步整流，就类似T形路口在没有信号灯的情况下，让汽车流畅通行的一种方式。如果有2个方向的汽车相撞就会导致阻塞和事故。不过，如果能巧妙地进行管控，让汽车以合适的时机通行，就能防止阻塞和事故。同步整流就是以类似的思路，让2个功率MOSFET开关在巧妙的时机进行ON/OFF操作。凭借这种电路形式，DC-DC转换器的效率大幅超过了以前的电路，且实现了无需散热板的小型化。此外，这对电池使用时间的延长也很有效果，因此被大量用于移动设备的小型高效DC-DC转换器。

减少热损耗和噪声的“软开关”设计思路

同步整流电路还采用了“软开关”的思路。这是因为普通的开关（硬开关）总会不可避免地产生损耗。因为开关的缘故，电压和电流的波形会从方形变为台状，ON/OFF切换时的波形会部分重叠，造成开关损耗。用来减少这种重合的技术称作“软开关”。这种技术会在电压和电流为0时，进行ON/OFF切换。
它设置了一个中间的“停滞时间”，让2个功率MOSFET开关不会同时为ON，从而巧妙地进行同步。此外，如果巧妙地切换电压和电流波形的相位（phase）使其错开，也能减少重合造成的损耗。这种技术称作“相移”。软开关存在多种电路设计。这种技术的亮点是通过少量元件就能很好地控制电压和电流。
上述的降压转换器属于非绝缘型DC-DC转换器，但变压器用的绝缘型DC-DC转换器也采用了同步整流式设计。图中所示的是反激式转换器的简易同步整流电路示例。和通常的反激式转换器不同的是，变压器负载端设有辅助线圈，并连接了功率MOSFET（Q2）。变压器电源端的功率MOSFET（Q1）的开关为OFF时，变压器核心储蓄的能量会被放出，辅助线圈中产生电压（介电电力），只有功率MOSFET（Q2）的电闸会被推动。同步整流电路的优点是只需低成本就能实现。
虽然实现了令人瞠目的高效，但开关式电源也有难缠的缺点。那便是开关切换产生的高频噪声。电源除噪的对策将在以后的文章中介绍，但这里要说的是，软开关的优点正是开关损耗和噪声都较少。因此，它作为尖端电源技术而广受关注，且在近年来迅速发展。