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东芝DTMOSVI系列MOSFET，有效提高电源效率

judy — Mon, 25 Apr 2022 02:19:37 +0000

如今，市场对于高效率电源的需求日益增涨，在此背景下，东芝拓展了新一代650V超结结构N沟道功率MOSFET“DTMOSVI系列”，推出TK090E65Z、TK090E65Z、TK110E65Z、TK155E65Z和TK190E65Z产品，它们适用于数据中心、光伏发电机功率调节器等工业设备的开关电源。这四款产品进一步完善了上一代产品在封装、漏源导通电阻和栅漏电荷方面的设计。

与上一代DTMOSIV-H系列相比，新一代DTMOSVI系列“漏源导通电阻×栅漏电荷”的品质因数降低约40%[1]，开关电源效率提高约0.36%[2]。未来，顺应市场需求，东芝将继续拓展新一代超级结结构N沟道功率MOSFET“DTMOSVI系列”的产品线，为提高电源效率增添“芯”助力。

应用：

工业设备开关电源：

数据中心（服务器电源等）

光伏发电机功率调节器

不间断电源系统

特性：

“漏源导通电阻×栅漏电荷”的值降低约40%[1]，有助于提高开关电源的效率

直插式TO-220封装

主要规格：

（@Ta＝25℃）

内部电路：

应用电路示例

注：

[1]与上一代DTMOSIV-H系列相比

[2]截至2022年2月，东芝测量的数值（采用输出功率为2500W的PFC电路时，TO-247封装的新系列TK040N65Z与上一代TK62N60X相比）

[3]DTMOSIV系列

* 本文所示应用电路仅供参考。

* 需要进行全面评估，特别是在量产设计阶段。

* 提供这些应用电路示例并不授予任何工业产权许可。

详解开关电源RCD钳位电路工作过程，为什么它能够吸收能量？

judy — Tue, 12 Apr 2022 06:38:56 +0000

本文转载自：电子电路设计

一、RCD钳位电路

反激式开关电源的RCD钳位电路由电阻R1、电容C1和二极管D1组成，如下图，其中：Lk为变压器的漏感，Lp为变压器原边绕组电感、Cds为Q1的寄生电容、T1为变压器、Q1是开关管、D2是输出整流二极管，E1是输出滤波电容。

变压器漏感Lk与原边电感Lp串联，原边电感Lp与变压器T1并联。原边电感Lp的能量可通过理想变压器T1耦合至副边，给后端负载提供能量。但变压器漏感Lk的能量无法耦合至副边，只能通过寄生电容释放能量，引起的尖峰电压，可以通过电阻R1吸收回路吸收能量。

1、工作原理

为了简化，其他的元器件已去掉，工作过程：Vin是整流之后的直流脉动电压，当开关管Q1关断时，漏极电流迅速下降，变压器原边电流给Cds充电，D1导通。由于C1容值远大于Cds，所以Lk释放的能量主要给C1充电。

由于电容电压具有不能突变的特性，且电容值越大电压变化率越小，因此C1的存在，降低了开关管漏源电压尖峰值，减小了开关管电压变化率，电源的EMI也就较好。

当绕组中的电流反向时，D1截止，C1充电结束，此时C1通过R1放电，C1吸收的漏感能量通过R1来消耗。

2、Uds关键波形分析

1）下图是开关管Q1的Vds电压随着时间变化的波形图，t1时刻前也就是纵坐标为零时候，Q1导通，由于变压器原边电感较大，且电感两端电压与电流变化率成正比，因此流经漏感电流线性上升，到t1时刻，Q1断开；

2）t1至t2时刻时，由于变压器原边电感的作用，流经变压器的原边电流基本不变，且此时RCD钳位电路中的二极管关断，输出电路的二极管D2反向截止。这一阶段可以认为是变压器的原边电流对Q1的寄生电容Cds恒流充电。

而在此时电容C1向R1缓慢放电，当漏极电压大于整流后的输入电压与变压器副边的反馈电压之和后，变压器原边的能量耦合到副边，并经整流二极管D2整流，以及E1电容滤波之后开始向负载提供能量。

3）t2时刻后，ds大于输入电压与C1此时的两端电压之和，二极管D1导通，流经D1的电流急剧上升，同时钳位电容C1不断充电，直至t3时刻变压器原边电流下降为零时，二极管D1再次关断，此时漏极电压升至最大值。

4）t3时刻后由于寄生电容Cds两端电压大于输入电压，将有一反向电压加在变压器原边两端，因此，Cds与变压器原边励磁电感及其漏感开始谐振，谐振期间，开关管的漏极电压逐渐下降，储存于Cds中的能量的一部份将转移到副边，另一部分能量返回输入电源，直到谐振结束，漏极电压稳定至直流输入电压（Vin）与变换器次级反射电压（Vor）之和大小。

为方便理解，对Q1关断时候的尖峰端Uds的波形电压解剖分析，在下图中，Vdsmax=Vinmax+Vor+Vspike，其中：

Vds：Q1中D与S两端电压

Vin：直流输入电压

Vor：变压器次级反射电压

Vspike：变压器初级漏感造成的尖峰电压

3、RCD不同电阻下的波形分析

RCD钳位电路当中，选择合适的电阻电容对于能量吸收以及输出效率和芯片发热起着关键的作用，有些开关电源是不需要RCD等其他吸收电路的，具体电路具体分析，去掉之后芯片内置MOS管可能会容易损坏，因此，一般都要增加吸收电路。

如下图是反激式开关电源局部电路，看看改变电阻R1阻值，Uds波形参数会有什么变化，取R1分别等于360K、180K、106K，市电输入190VAC、相同负载情况下测试的波形。

1） R1=360K

从下图可以看出来，在R1=360K时候，Vds=548.6V

2） R1=180K

从下图可以看出来，在R1=180K时候，Vds=481.0V

3） R1=108K

从下图可以看出来，在R1=106K时候，Vds=457.6V

从以上三张图可以看出，电阻越小，Vds电压越小，这是由于放电电流越快，因为C1吸收的能量靠电阻来消耗，但是R1过小会增大变压器能量损耗；

事实上，电容值过大时，电容两端电压上升缓慢，变压器原边的能量不能快速传递到变压器副边；电容值过小，电容上电压很快会降到变压器副边反射电压，在开关管导通之前，箱位电路电阻将成为反激开关电源的死负载，消耗变压器的磁芯能量，降低整个电路效率。

二、总结

电容电阻都需要选择合适，如电压峰值比较大，那么电容的电压应力大，在满足箱位电路功能的作用情况下，可进行电容值的增大电容，从而可以降低电压电压峰值；

同时需要调节箝位电路的电阻值，使得幵关管导通时，电容上电压降为接近变压器副边反射电压，之后电容对电阻继续放电至开关管再次导通。

常见开关电源优缺点对比

judy — Mon, 17 Jan 2022 03:22:06 +0000

本文主要讲述了常见的开关电源拓扑结构特点和优缺点对比。

常见的拓扑结构，包括Buck降压、Boost升压、Buck-Boost降压-升压、Flyback反激、Forward正激、Two-Transistor Forward双晶体管正激等。

常见的基本拓扑结构

一、基本的脉冲宽度调制波形

这些拓扑结构都与开关式电路有关。

基本的脉冲宽度调制波形定义如下：

二、常见的基本拓扑结构

1、Buck降压

把输入降至一个较低的电压。

可能是最简单的电路。

电感/电容滤波器滤平开关后的方波。

输出总是小于或等于输入。

输入电流不连续(斩波)。

输出电流平滑。

2、Boost升压

把输入升至一个较高的电压。

与降压一样，但重新安排了电感、开关和二极管。

输出总是比大于或等于输入(忽略二极管的正向压降)。

输入电流平滑。

输出电流不连续(斩波)。

3、Buck-Boost降压-升压

电感、开关和二极管的另一种安排方法。

结合了降压和升压电路的缺点。

输入电流不连续(斩波)。

输出电流也不连续(斩波)。

输出总是与输入反向(注意电容的极性)，但是幅度可以小于或大于输入。

“反激”变换器实际是降压-升压电路隔离(变压器耦合)形式。

4、Flyback反激

如降压-升压电路一样工作，但是电感有两个绕组，而且同时作为变压器和电感。

输出可以为正或为负，由线圈和二极管的极性决定。

输出电压可以大于或小于输入电压，由变压器的匝数比决定。

这是隔离拓扑结构中最简单的。

增加次级绕组和电路可以得到多个输出。

5、Forward正激

降压电路的变压器耦合形式。

不连续的输入电流，平滑的输出电流。

因为采用变压器，输出可以大于或小于输入，可以是任何极性。

增加次级绕组和电路可以获得多个输出。

在每个开关周期中必须对变压器磁芯去磁。常用的做法是增加一个与初级绕组匝数相同的绕组。

在开关接通阶段存储在初级电感中的能量，在开关断开阶段通过另外的绕组和二极管释放。

6、Two-Transistor Forward双晶体管正激

两个开关同时工作。

开关断开时，存储在变压器中的能量使初级的极性反向，使二极管导通。

主要优点：每个开关上的电压永远不会超过输入电压；无需对绕组磁道复位。

7、Push-Pull推挽

开关(FET)的驱动不同相，进行脉冲宽度调制(PWM)以调节输出电压。

良好的变压器磁芯利用率——在两个半周期中都传输功率。

全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。

施加在FET上的电压是输入电压的两倍。

8、Half-Bridge半桥

较高功率变换器极为常用的拓扑结构。

开关的驱动不同相，进行脉冲宽度调制以调节输出电压。

良好的变压器磁芯利用率——在两个半周期中都传输功率。而且初级绕组的利用率优于推挽电路。

全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。

施加在FET上的电压与输入电压相等。

9、Full-Bridge全桥

较高功率变换器最为常用的拓扑结构。

开关以对角对的形式驱动，进行脉冲宽度调制以调节输出电压。

良好的变压器磁芯利用率——在两个半周期中都传输功率。

全波拓扑结构，所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。

施加在 FETs上的电压与输入电压相等。

在给定的功率下，初级电流是半桥的一半。

10、SEPIC单端初级电感变换器

输出电压可以大于或小于输入电压。

与升压电路一样，输入电流平滑，但是输出电流不连续。

能量通过电容从输入传输至输出。

需要两个电感。

11、C’uk(Slobodan C’uk的专利)

输出反相。

输出电压的幅度可以大于或小于输入。

输入电流和输出电流都是平滑的。

能量通过电容从输入传输至输出。

需要两个电感。

电感可以耦合获得零纹波电感电流。

三、电路工作的细节
下面讲解几种拓扑结构的工作细节。

1、Buck-降压调整器-连续导电

电感电流连续。

Vout是其输入电压(V1)的均值。

输出电压为输入电压乘以开关的负荷比(D)。

接通时，电感电流从电池流出。

开关断开时电流流过二极管。

忽略开关和电感中的损耗，D与负载电流无关。

降压调整器和其派生电路的特征是：输入电流不连续(斩波)，输出电流连续(平滑)。

2、Buck-降压调整器-临界导电

电感电流仍然是连续的，只是当开关再次接通时“达到”零。这被称为“临界导电”。输出电压仍等于输入电压乘以D。

3、Buck-降压调整器-不连续导电

在这种情况下，电感中的电流在每个周期的一段时间中为零。

输出电压仍然(始终)是v1的平均值。

输出电压不是输入电压乘以开关的负荷比(D)。

当负载电流低于临界值时,D随着负载电流而变化(而Vout保持不变)。

4、Boost升压调整器

输出电压始终大于(或等于)输入电压。输入电流连续，输出电流不连续(与降压调整器相反)。

输出电压与负荷比(D)之间的关系不如在降压调整器中那么简单。在连续导电的情况下：

在本例中，Vin = 5, Vout = 15, D = 2/3.Vout = 15，D = 2/3.

5、变压器工作(包括初级电感的作用)

变压器看作理想变压器，它的初级(磁化)电感与初级并联。

6、反激变压器

此处初级电感很低，用于确定峰值电流和存储的能量。当初级开关断开时，能量传送到次级。

7、Forward 正激变换变压器

初级电感很高，因为无需存储能量。

磁化电流(i1)流入 “磁化电感”，使磁芯在初级开关断开后去磁(电压反向)。

结语
本文回顾了目前开关式电源转换中最常见的电路拓扑结构。除此之外还有许多拓扑结构，但大多是这些拓扑的组合或变形。

每种拓扑结构包含独特的设计权衡：施加在开关上的电压，斩波和平滑输入输出电流，绕组的利用率。

选择最佳的拓扑结构需要研究：输入和输出电压范围，电流范围，成本和性能、大小和重量之比。

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开关电源

开关电源，设计电路时该如何选型元器件？

judy — Thu, 13 Jan 2022 07:47:10 +0000

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

Buck电路分析

Buck变换器是一种降压式非隔离开关电源，当开关管导通时，输入电源通过电感给输出供电，同时电感存储能量；当开关管关断时，电感通过续流二极管给输出供电；如此反复即可维持输出产生一个恒定的电压。其Buck电路拓扑结构以及电路分析计算见图1所示。

图1 Buck电路分析

Boost电路分析
Boost变换器是一种降压式非隔离开关电源，当开关管导通时，输入电源通过电感给电感充电，电感存储能量；当开关管关断时，输入电源和电感能量通过续流二极管给输出供电；如此反复即可维持输出产生一个恒定的电压。其Boost电路拓扑结构以及电路分析计算见图2所示。

图2 Boost电路分析

Buck-Boost电路分析

Buck-Boost变换器是一种升降压式非隔离开关电源，当开关管导通时，输入电源通过电感给电感充电，电感存储能量；当开关管关断时，电感能量通过续流二极管给输出供电；如此反复即可维持输出产生一个恒定的负电压。其Buck-Boost电路拓扑结构以及电路分析计算见图3所示。

图3 Buck-Boost电路分析