開關(guān)調(diào)節(jié)器的效率(考慮交疊開關(guān)損耗)
交疊開關(guān)損耗(或稱為電壓電流重疊損耗),可以根據(jù)某時段內(nèi)電壓電流的動態(tài)曲線按照上升電流和下降電壓的斜率進行計算。圖(a)示出了最 理想的曲線,但實際上它很難達到。
如圖 開關(guān)管的電壓電流重疊曲線
對于圖(a)所示的最理想狀態(tài),在V導(dǎo)通時,電壓電流變化同時開始,同時結(jié)束。開關(guān)管V的電流從零上升到Io的同時,V上的電壓從最大值Udo下降到零。導(dǎo)通期間平均功率為,而整個周期的平均功率為(IoUdc/6)(TON/Ts)。
若考慮同樣的理想狀態(tài),在V關(guān)斷時電流下降和電壓上升同時開始同時結(jié)束,則關(guān)斷損莽毛即電壓電流交疊損耗為,整個周期的平均功率為(IoUdc/6)(Toff/Ts)。
設(shè)Ton=Toff=T,則總開關(guān)損耗(關(guān)斷損耗與導(dǎo)通損耗之和)為Pac=(UdcIoT)/3Ts,而效率為
計算開關(guān)調(diào)節(jié)器(Buck)的效率并將它與線性調(diào)節(jié)器的效率進行比較是很有必要的。假設(shè)一個開關(guān)調(diào)節(jié)器(Buck)的參數(shù)為:輸人電壓48V;輸出電壓5 V;開關(guān)頻率為50kHz(Ts=20μs)。
若不考慮交疊開關(guān)損耗,且設(shè)開關(guān)時間T為0.3μs,則根據(jù)式(1-3)可得
若考慮開關(guān)損耗并設(shè)在圖(a)所示的最理想狀態(tài)的曲線下,且T=0.3μs,Ts=20μs,則由式(1-4)可得
若設(shè)在如圖(b)所示的最差狀態(tài)曲線(它更接近于實際情況)下,則開關(guān)調(diào)節(jié)器(Buck)的效率會降低。如圖(b)所示,V導(dǎo)通時,直流導(dǎo)通電流達到幅值Io,開關(guān)管的電壓一直保持為最大值(Udc),然后電壓才開始下降。電流上升時間Tcr接近于電壓下降時間Tvf,則導(dǎo)通損耗為
若設(shè)Tcr=TvT則P(Ton)=UdcIo(T/Ts)。
由圖(b)可知,V關(guān)斷期間,直到電壓上升到最大值Udc,在Tvr時間內(nèi)電流保持最大值Io,而后電流才開始下降且在Tcf時間內(nèi)下降到零,則總的開關(guān)損耗為
同樣,若設(shè),則有。則總交疊損耗(導(dǎo)通損耗與關(guān)斷損耗之和)為
總損耗(直流損耗與交疊損耗之和)為
效率為
對于同樣工作于50 kHz,T=0.3μs,從48V降為5V的開關(guān)調(diào)節(jié)器(Buck),由式(1-7)可以得到其效率為
若使用線性調(diào)節(jié)器將48V降到5V,則由式(1-1)可知,其效率為Uo/Udc(max),即5/48=10.4%。此效率太低,無法接受。
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