开关电源/开关MOS管/开关变压器损耗讲解
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今天给大家分享的是：开关电源损耗与效率、开关晶体管损耗、开关变压器损耗。 一、开关电源的损耗 开关电源的损耗主要来自三个元件：开关晶体管、变压器和整流二极管。 1、开关晶体管损耗 主要分为开通/关断损耗两个方面。开关晶体管的损耗主要与开关管的开关次数有关，还与工作频率和负载特性有关。如果开关时间增加一倍，开关管的损耗将增加约2～3倍，而开关管的损耗与开关电源的工作频率成正比。 2、开关变压器的损耗 主要包括磁滞损耗、涡流损耗和铜损。开关变压器的涡流损耗和变压器线圈的铜损与工作频率的(píng)方成正比，而磁滞损耗除与工作频率外还与磁通密度的1.6次方成正比。 3、整流二极管的损耗 主要由两部分组成：正向导通损耗和反向恢复损耗。整流二极管的正向损耗与整流二极管的正向压降有关，而反向恢复损耗与二极管的反向恢复时间有关。 以上三种损耗占开关电源总损耗的20%以上。如何降低开关晶体管和变压器的损耗，提高效率，是每个工程师在设计的时候都会考虑到的问题。 二、开关晶体管损耗 开关晶体管的损耗主要包括开通损耗和关断损耗。
开关晶体管电路 1、开关晶体管的等效电路
开关晶体管的等效电路 三极管（或MOSFET）的输入可以等效为一个电容并联一个电阻，其输入电压为：
输入电压公式 三极管（或MOSFET）导通时，输出端可以等效为一个电感并联一个电阻；三极管截止时，可以等效为一个电容与一个电阻并联；其输出电压为：
输出电压公式 集电极电流为：
集电极电流公式 2、开关晶体管开通/关断过程——纯阻性负载
纯阻性开关电路 三极管开关特性参数： (1) 延迟时间 t d 当输入信号 Vin 变为正时，集电极电流Ic上升到其最大值 Icm 的 10%所需的时间。 (2) 上升时间 t r 集电极电流Ic从其最大值 Icm 的 10% 上升到 90%所花费的时间。 (3) 存放时间 t s 当输入信号 V in变为负时，峰值集电极电流 I cm降至其值的 90%所需的时间。 (4) 下降时间 t f 集电极电流Ic从其最大值 Icm 的 90% 下降到 10%所花费的时间。
纯阻性负载的开关损耗 3、 开关晶体管导通/关断过程-反激式输出电源
反激式开关电源 采用反激式开关电源，流过开关管的电流是锯齿波。起初开关管导通，流过变压器初级线圈的电流很小，但在变压器关断前电流变得很大。因此晶体管在导通时间（t d和t r）的损耗很小，而在关断时间（t s和t f）的损耗很大，相差几十倍。
反激式开关模式电源的开关损耗 4、开关晶体管导通/关断过程-正向输出电源
正向开关电源
对于正向开关电源，流过开关管的电流是梯形波形。起初开关管导通，流过变压器初级线圈的电流比较大。它在晶体管关闭之前变大。因此，开关管在导通初期（t d和t r）和关断期间（t s和t f）的损耗均大于反激式开关电源。
正激式开关电源的开关损耗 5、开关时间对开关损耗的影响
增加开启/关闭时间会同时增加开关损耗
纯阻性负载的开关损耗与开关管的四次开关次数成正比。因此增加晶体管的导通/关断时间会同时降低开关电路的电压和电流上升率。也有利于降低开关电源的辐射干扰，但会增加晶体管的开关损耗。
开关电路各点的波形和损耗 三、开关电源变压器损耗 1、单极开关电源变压器磁芯的磁滞回线
单极开关电源变压器磁芯的磁滞回线 上图为单极开关电源正常工作时变压器铁心的磁化曲线（磁滞回线）。当励磁电流对铁芯进行磁化时，磁通密度沿磁化曲线abc变化。在这种情况下，磁通密度随着磁场强度的增加而增加。退磁时，磁通密度和磁场强度沿磁化曲线cda变化。在这种情况下，磁通密度随着磁场强度而降低。 一方面，当脉冲宽度一定时，励磁电流和退磁电流产生的磁场强度大小相等方向相反，因此磁滞环的两端（a和c）为基本稳定。另一方面，磁滞回线的两端会随着脉冲宽度的变化而变化。 2、变压器铁芯的选择
各种变压器铁芯的工作频率范围 关于变压器铁芯的选择，我们主要考虑体积、工作效率、可靠性、成本等方面，其中必然涉及到变压器铁芯的诸多参数，如：最大磁通密度Bm（或磁饱和磁通密度B s )、最大磁导率μ m、有效磁导率μ e、矫顽力H m和涡流损耗等。这些参数基本上与工作频率有关，尤其是涡流损耗P e和磁滞损失 P h。 审核编辑：汤梓红 |
