導讀：估gu計ji很hen多duo新xin手shou工gong程cheng師shi在zai設she計ji開kai關guan電dian源yuan計ji算suan變bian壓ya器qi時shi發fa現xian

，把ba電dian源yuan的de開kai關guan頻pin率lv提ti高gao後hou變bian壓ya器qi磁ci芯xin更geng加jia不bu容rong易yi飽bao和he，或huo者zhe說shuo可ke以yi用yong更geng小xiao的de磁ci性xing做zuo出chu同tong樣yang功gong率lv的de電dian源yuan
，甚shen至zhi在zai想xiang把ba開kai關guan頻pin率lv無wu限xian製zhi提ti高gao來lai無wu限xian製zhi縮suo小xiao變bian壓ya器qi的de體ti積ji。

估gu計ji很hen多duo新xin手shou工gong程cheng師shi在zai設she計ji開kai關guan電dian源yuan計ji算suan變bian壓ya器qi時shi發fa現xian，把ba電dian源yuan的de開kai關guan頻pin率lv提ti高gao後hou變bian壓ya器qi磁ci芯xin更geng加jia不bu容rong易yi飽bao和he，或huo者zhe說shuo可ke以yi用yong更geng小xiao的de磁ci性xing做zuo出chu同tong樣yang功gong率lv的de電dian源yuan
，甚shen至zhi在zai想xiang把ba開kai關guan頻pin率lv無wu限xian製zhi提ti高gao來lai無wu限xian製zhi縮suo小xiao變bian壓ya器qi的de體ti積ji。

但實際上一般開關電源的頻率都不會特別高
，也不可能使頻率無限提高，其中到底有哪些原因
？請看下文！

器件限製、損耗、EMI
、PCB布局難度提升等問題都是製約開關頻率無限提升的因素，下麵稍微展開來講一下！

器件的限製

對於一個開關管來說，在實際應用中，不是給個驅動就開，驅動撤掉就關了。它有開通延遲時間（tdon），上升時間（tr），關斷延遲時間（tdoff），下降時間tf
，對應的波形如下：

通俗的講
，開關管開通關斷不是瞬間完成的，需要一定的時間，開關管本身的開關時間就限製了開關頻率的提升。

曾經筆者在delta用在3kW的逆變器上的一款600V的coolmos為例。看看這些具體的開關時間是多少

？

那麼對於這個mos管來說，它的極限開關頻率(在這種極限情況下
，mos管剛開通就關斷)fs=1/(16+12+83+5)ns=8.6MHz，當然，在實際應用中，由於要調節占空比，不可能讓開關管一開通就關斷，所以實際的極限頻率是遠低於8.6MHz的
，所以器件本身的開關速度是限製開關頻率的一個因素。

開關損耗

當然，隨著器件的進步

，開關管開關的速度越來越快，尤其是在低壓小功率場合，如果僅考慮器件本身的開關速度，開關頻率可以run得非常高，但實際並沒有，限製就在開關損耗上麵。

下麵給出開關管實際開通的時候對應的波形圖。

可以看到，開關管每開通一次，開關管DS的電壓（Vds）和流過開關管的電流（Id）會存在交疊時間，從而造成開通損耗，關斷亦然。假設每次開關管每開關一次產生的能量損耗是一定的

，記為Esw，那麼開關管的開關損耗功率就為Psw=Esw*fs，顯然，開關頻率越高，開關損耗越大。5M開關頻率下開關損耗比500K要大10倍，這對於重視效率的開關電源來說
，顯然是不可接受的。所以，開關損耗是限製開關頻率的第二因素。

開關損耗確實是限製因素之一，但是氮化镓器件的推出已經讓開關損耗在1-3Mhz這個範圍內變得可以接受，我下麵附一張圖片
，這是三家公司推出的650V的GaN device
，可以看出最好的管子開通損耗已經4uJ，關斷損耗在8uJ(測試條件在400V, 12A)
，甚至有家公司的650V的管子基本可以和Transphorm平齊。而同電壓電流等級的矽器件很多管子都還在以mJ為單位。

下麵在貼出一張低壓氮化镓和矽器件的比較，可以看出，總體來說，驅動損耗也會變得很小。

還有一點很重要，寬禁帶半導體的工作結溫很高，以目前的工藝來說，Sic的結溫可以工作到200°，氮化镓可以工作到150°。而矽器件呢，我覺得最多100°就不得了。結溫高，意味著相同損耗下，需要給寬禁帶半導體設計的散熱器表麵積要小很多，何況寬禁帶半導體的損耗本身還小。

是開關頻率的提高
，往往隻能使用QFN或者其他一些表貼器件減少封裝寄生參數
，這給散熱係統帶來了極大的挑戰，原來Tofengzhuangkeyijiasanreqi
，jianshaodaokongqiduiliuderezu，erxianzaibuxingle。suoyiruguoxiangzaigaopinxiagongzuo，diyiwentijiushijiejuesanre，bagaokaiguansunhaodaochuqu
，youqishizaikW級別，散熱係統非常重要。現在學界解決這個問題的手段偏向於把器件做成獨立封裝，采用一種叫DCB的技術

，用陶瓷基板散熱，器件從陶瓷上表麵到下表麵的熱阻基本為0.4°C/W（有些人也用metal core PCB, 但是要加絕緣層，熱阻一般在4°C/W），而FR4為20°C/W。

半(ban)導(dao)體(ti)不(bu)斷(duan)在(zai)發(fa)展(zhan)，開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)也(ye)在(zai)顯(xian)著(zhu)下(xia)降(jiang)，而(er)封(feng)裝(zhuang)越(yue)來(lai)越(yue)小(xiao)，現(xian)在(zai)來(lai)看(kan)，我(wo)們(men)要(yao)做(zuo)的(de)是(shi)怎(zen)麼(me)把(ba)那(na)些(xie)熱(re)量(liang)從(cong)那(na)麼(me)小(xiao)的(de)表(biao)貼(tie)封(feng)裝(zhuang)下(xia)散(san)出(chu)去(qu)。

磁元件損耗

raozudequfuxiaoyinghelinjinxiaoying。zaibianyaqidegaopingongzuoshi
，yingxianggengjiayanzhong。huiyinqijiaodaderaozuwoliuhaosun，dangrankaiguanpinlvtigao
，raozudezashuhuijiangdi。xiangyingderaozujiaoliuzukangbiandale
，danshiraoxianchangdujianshaole。wentimaosiyebuhuihenda
，xiezhenbanqiaoyingyong，womenjingchanghuixuan200KHZ的頻率。這樣磁性元件的體積和耗損，是一個比較合適的範圍。

變壓器的鐵損主要由變壓器渦流損耗產生
，如下圖所示，給線圈加載高頻電流時
，在導體內和導體外產生了變化的磁場垂直於電流方向(圖中1→2→3和4→5→6)。根據電磁感應定律，變化的磁場會在導體內部產生感應電動勢，此電動勢在導體內整個長度方向(L麵和N麵)產生渦流(a→b→c→a和d→e→f→d)，則主電流和渦流在導體表麵加強，電流趨於表麵，那麼，導線的有效交流截麵積減少，導致導體交流電阻(渦流損耗係數)增大，損耗加大。

如下圖所示

，變壓器鐵損是和開關頻率的kfcifangchengzhengbi，youyucixingwendudexianzhiyouguan
，suoyisuizhekaiguanpinlvdetigao，gaopindianliuzaixianquanzhongliutongchanshengyanzhongdegaopinxiaoying，congerjiangdilebianyaqidezhuanhuanxiaolv，daozhibianyaqiwenshenggao，congerxianzhikaiguanpinlvtigao。

軟開關的困難

題主提到了軟開關
，沒錯
，軟開關確實是解決開關損耗的有力手段。而在各種研究軟開關的paper上(shang)，提(ti)出(chu)了(le)無(wu)數(shu)種(zhong)讓(rang)人(ren)眼(yan)花(hua)繚(liao)亂(luan)的(de)軟(ruan)開(kai)關(guan)方(fang)案(an)，似(si)乎(hu)軟(ruan)開(kai)關(guan)能(neng)解(jie)決(jue)一(yi)切(qie)問(wen)題(ti)。但(dan)是(shi)實(shi)際(ji)工(gong)程(cheng)應(ying)用(yong)和(he)理(li)論(lun)分(fen)析(xi)不(bu)同(tong)，實(shi)際(ji)工(gong)程(cheng)追(zhui)求(qiu)的(de)是(shi)低(di)成(cheng)本(ben)，高(gao)效(xiao)率(lv)，高(gao)可(ke)靠(kao)性(xing)，那(na)些(xie)需(xu)要(yao)添(tian)加(jia)一(yi)堆(dui)輔(fu)助(zhu)電(dian)路(lu)，或(huo)者(zhe)要(yao)非(fei)常(chang)精(jing)確(que)控(kong)製(zhi)的(de)軟(ruan)開(kai)關(guan)方(fang)案(an)在(zai)實(shi)際(ji)工(gong)程(cheng)中(zhong)其(qi)實(shi)都(dou)是(shi)不(bu)太(tai)被(bei)看(kan)好(hao)的(de)

，所(suo)以(yi)即(ji)使(shi)到(dao)現(xian)在(zai)，在(zai)工(gong)業(ye)界(jie)最(zui)常(chang)應(ying)用(yong)軟(ruan)開(kai)關(guan)的(de)拓(tuo)撲(pu)也(ye)隻(zhi)要(yao)移(yi)相(xiang)全(quan)橋(qiao)和(he)一(yi)些(xie)諧(xie)振(zhen)的(de)拓(tuo)撲(pu)（比如LLC），至於題主提到的flyback,沒錯
，我也聽說過有準諧振的flyback（但沒研究過）
，但即使有類似的方案，對於能不能真正工程應用，題主也需要從我上麵提到的幾個問題去考量一下。

ps，對於小功率高頻電源，現在class E非常火，我覺得它火的原因就是電路簡單，所以才能被工業界接受，題主有興趣可以去研究下。

高頻化帶來的一係列問題

假jia設she上shang麵mian的de一yi係xi列lie問wen題ti都dou解jie決jue了le，真zhen正zheng做zuo到dao高gao頻pin化hua還hai需xu要yao解jie決jue一yi係xi列lie工gong程cheng上shang的de問wen題ti，比bi如ru在zai高gao頻pin下xia，電dian路lu的de寄ji生sheng參can數shu往wang往wang會hui嚴yan重zhong影ying響xiang電dian源yuan的de性xing能neng（如變壓器原副邊的寄生電容
，變壓器的漏感
，PCB布線之間的寄生電感和寄生電容等等），造成一係列電壓電流波形震蕩和EMI的問題
，如何消除寄生參數的影響，甚至進一步地，如何利用寄生參數為電路服務
，都是有待研究的問題。

ps，對於高頻化應用的實際工程應用的問題
，還有很重要的一塊是高頻驅動電路的設計。

當然，隨著新器件（SiC, GaN）的興起
，開關電源高頻化的研究方興未艾，開關電源的高頻化一定是趨勢，而且有望給電力電子帶來又一次革命。讓我們拭目以待。

EMI和幹擾，pcb布局難度增大

在我接觸EMI前，很多老工程師以他們有豐富的EMI調試經驗來鄙視我們這些菜鳥，搞的我一直以為EMI是門玄學，也有很多人動不動就拿EMI出來嚇人。我想說EMI確實很難理解

，很難有精確的紙麵設計，但是通過研究我們還是能知道大概趨勢指導設計，而不是一些工程嘴裏完全靠trial and error的流程。我先給出結論
，EMI確實和開關頻率不成線性關係，某些開關頻率下
，EMI濾波器的轉折頻率較高，但是總體趨勢而言
，是開關頻率越高，EMI體積越小！

我知道很多人可能開始噴我了
，怎麼可能
，di/dt和dv/dt都大了，怎麼可能EMI濾波體積還小了。我想說一句，共模和差模濾波器的沒有區別
，相同的截止頻率下，高頻的衰減更大！就算你高頻下共模噪聲越大
，但是你的記住
，這個頻率下LC濾波器的衰減更大

，想想幅頻曲線吧。為了說明這個結論，我給出一些定量分析結果。這些EMI分析均基於AC/DC三相整流，拓撲為維也納整流。我分別給出了1Mhz和500Khz的共模噪聲，可以看出，500khz共模濾波器需要的截止頻率為19.2kHz
，1MHz為31.2kHz。

這張圖給出了不同頻率下共模和差模濾波器轉折頻率的關係

，可以看出
，一些低頻點EMI濾波器體現出了非常好的特性。例如70Khz，140Khz。而這兩個開關頻率是工業界常用的兩個開關頻率
，非常討巧，因為EMI噪聲測試是150KHz到30MHz。不過這個也與拓撲有關。

假jia設she上shang述shu的de功gong率lv器qi件jian損sun耗hao解jie決jue了le，真zhen正zheng做zuo到dao高gao頻pin還hai需xu要yao解jie決jue一yi係xi列lie工gong程cheng問wen題ti
，因yin為wei在zai高gao頻pin下xia
，電dian感gan已yi經jing不bu是shi我wo們men熟shu悉xi的de電dian感gan
，電dian容rong也ye不bu是shi我wo們men已yi知zhi的de電dian容rong了le


，所suo有you的de寄ji生sheng參can數shu都dou會hui產chan生sheng相xiang應ying的de寄ji生sheng效xiao應ying，嚴yan重zhong影ying響xiang電dian源yuan的de性xing能neng，如ru變bian壓ya器qi原yuan副fu邊bian的de寄ji生sheng電dian容rong、變壓器漏感
，PCB布線間的寄生電感和寄生電容，會造成一係列電壓電流波形振蕩和EMI問題，同時對開關管的電壓應力也是一個考驗。

小結

不是開關頻率越高

，功率密度就越高，目前這個階段來說真正阻礙功率密度提高的是散熱係統和電磁設計（包括EMI濾波器和變壓器）和功率集成技術。

慎重選擇開關頻率，開關頻率會極大的影響整個變化器的功率密度，而且針對不同器件，拓撲，最佳的開關頻率是變化的。

高頻確實產生很多很難解決的幹擾問題，往往要找到幹擾回路，然後采取一些措施。

為(wei)了(le)繼(ji)續(xu)維(wei)持(chi)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)變(bian)換(huan)器(qi)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)的(de)增(zeng)長(chang)趨(qu)勢(shi)，高(gao)頻(pin)肯(ken)定(ding)是(shi)趨(qu)勢(shi)。隻(zhi)是(shi)針(zhen)對(dui)高(gao)頻(pin)設(she)計(ji)的(de)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)很(hen)不(bu)成(cheng)熟(shu)，相(xiang)關(guan)配(pei)套(tao)芯(xin)片(pian)沒(mei)有(you)達(da)到(dao)要(yao)求(qiu)
，一(yi)些(xie)高(gao)頻(pin)的(de)電(dian)磁(ci)設(she)計(ji)理(li)論(lun)不(bu)完(wan)善(shan)和(he)精(jing)確(que)，使(shi)用(yong)有(you)限(xian)元(yuan)軟(ruan)件(jian)分(fen)析(xi)將(jiang)大(da)大(da)增(zeng)加(jia)開(kai)發(fa)周(zhou)期(qi)。

要提高開關電源產品的功率密度，首先考慮的是提高其開關頻率

，能有效減小變壓器、濾波電感
、電容的體積
，但麵臨的是由開關頻率引起的損耗，而導致溫升散熱設計難
，頻率的提高也會導致驅動
、EMI等一係列工程問題。

（來源：電子工程專輯）

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