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开关电源损耗分析

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开关电源损耗分析

对于开关电源效率的提高,我们常常所关心的是开关管的开关损耗,总是试图进行软开关控制以提高效率,但是,在开关电源的设计中,我们可能常常忽略了非常重要的损耗因素。        在此,偶罗列出一些损耗因素,并给予适当的计算,目的是提醒大家注意其它因素,比如PCB布线、电解电容、变压器、整流管等,对开关电源效率的不可忽视的影响。
        文中计算多有不周之处,期望大侠们批评指正。在此抛砖引玉,希望给大家带出一个努力的方向。

电源效率分析(以交流三相输入,输出400V12.5A5000W为例)
1.     三相输入整流桥(BR3510W):                                                                    小计:
相电流:Ii = Pi/3/Ui
功率损耗:p = Ii * Ud*3
占比约为:p/Pi = Ud*/Ui = (0.98*2)/220 = 0.89%                                            0.89%
(单相整流仿真分析,有470uF滤波电容和无滤波电容两种情况下,同样输出1.5kW,整流二极管上的损耗比为129:70,
再加上滤波电容的损耗,实际低功率因数情况下的整流损耗会更大,可能会超过1.64%。输入滤波电容越大,功率因数越低,效率越低。)
没有PFC校正的电路,减小输入滤波电容,增大输出滤波电容,但可能会带来较大的工频噪声。

2.     输出止逆(防倒灌):
15A*1.05V=15.75W,15.75W/5000W=0.315%                                                      1.205%

3.     输出整流(DSEI3010):
输出电流:Io = Po/Uo
功率损耗:p = Io*Ud*2
占比约为:p/Po = Ud*2/Uo = 1.8*2/400= 0.90%                                                2.105%

4.     开关管(IXFX44N80)
开关管通态损耗:0.190Ω*1.5(热态)*11A^2/5000W = 0.69%    2.795%
关断损耗:(520V*2A*0.2us/32us+520V/2*12.5A*0.015us/32us)/5000W = 0.16%          (仿真结果,出入较大)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              2.955%
5.     变压器损耗:
   铜损:9/16,0.1mm线700股,5.495mm2,长度1000mm,铜的电阻率为17.5x10-8,线包导线电阻6.37mΩ。
额定输入AC380V情况下,输入整流电压380Vx1.2 = DC456V,输入大功率400Vx12.5A/0.91/0.9=6105W,
输入电流13.4A,半桥LLC变压器初级电流有效值26.8A。线包总铜损 = 26.8x26.8x6.37x2/1000=9.15W,占0.183%。                                                                                                                                               3.138%
    (实测初级8 mΩ,次级18 mΩ)
    以天通的TP4磁芯为例,磁导率2300,功率损耗650kW/m3(100kHz0.2T),PL=aB2.00F1.46,
得出磁滞损耗系数a=19.54。LSAD3,满载工作频率30kHz,磁感应强度0.3T,磁芯单位体积损耗PL=252 kW/m3,
双EE70磁芯2*102 cm3,总损耗51.4W,占5000W输出功率的1.028%。                                             
                                                                                                                        4.166%
6.     谐振电感损耗:
   铜损:8匝,0.1mm线700股,5.495mm2,长度750mm,铜的电阻率为17.5x10-8,线包导线电阻2.39mΩ。
半桥LLC谐振电流有效值26.8A。线包铜损 = 26.8x26.8x2.39/1000=1.72W,占0.034%。                                               
                                                                                                                         4.2%
    以天通的TP4磁芯为例,磁导率2300,功率损耗650kW/m3(100kHz0.2T),PL=aB2.00F1.46,得出磁滞损耗系数a=19.54。
LSAD3,满载工作频率30kHz,磁感应强度0.3T,磁芯单位体积损耗PL=252 kW/m3,EE70磁芯102 cm3,
损耗25.7W,占5000W输出功率的0.514%。                                                            4.714%

7.     PCB线路的损耗不可忽略。35um厚,平均20mm宽,总长平均1500mm,12.5A电流的损耗是:58.59W,占1.17%。                                                                                                                                          5.884%
8.     辅助电源
7812:(18V-12V)*0.4A=2.4W
7805:(10V-5V)*0.1A=0.5W
20W*15%=3W
损耗:5.9W
风机:23.25W           总损耗:29.15W,占0.583%                                                     6.467%

9.     电解电容:纹波电压0.4%*400V=1.6V,ESR大约100 mΩ,损耗25.6W
假定输入滤波损耗15W,谐振电容损耗15W,则总占比1.11%                                        7.577%

10.     熔断器损耗:

总计算损耗7.577%,计算效率92.4%,与实测比较接近。
实测的变压器铜损比计算值大,计算未考虑趋肤效应及其它杂散损耗;
实测的变压器铁损比计算值小,计算时所取的B值过大,实际励磁电流较小,B较小。

电解电容的损耗不容忽视,实测470uF400V2并2串,274 mΩ。


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| 发布时间:2017.04.18    来源:世纪电源
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