開關電源損耗分析

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開關電源損耗分析

對于開關電源效率的提高，我們常常所關心的是開關管的開關損耗，總是試圖進行軟開關控制以提高效率，但是，在開關電源的設計中，我們可能常常忽略了非常重要的損耗因素。在此，偶羅列出一些損耗因素，并給予適當的計算，目的是提醒大家注意其它因素，比如PCB布線、電解電容、變壓器、整流管等，對開關電源效率的不可忽視的影響。
文中計算多有不周之處，期望大俠們批評指正。在此拋磚引玉，希望給大家帶出一個努力的方向。

電源效率分析（以交流三相輸入，輸出400V12.5A5000W為例）
1. 三相輸入整流橋（BR3510W）：小計：
相電流：Ii = Pi/3/Ui
功率損耗：p = Ii * Ud*3
占比約為：p/Pi = Ud*/Ui = （0.98*2）/220 = 0.89% 0.89%
（單相整流仿真分析，有470uF濾波電容和無濾波電容兩種情況下，同樣輸出1.5kW，整流二極管上的損耗比為129：70，
再加上濾波電容的損耗，實際低功率因數情況下的整流損耗會更大，可能會超過1.64%。輸入濾波電容越大，功率因數越低，效率越低。）
沒有PFC校正的電路，減小輸入濾波電容，增大輸出濾波電容，但可能會帶來較大的工頻噪聲。

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

3. 輸出整流（DSEI3010）：
輸出電流：Io = Po/Uo
功率損耗：p = Io*Ud*2
占比約為：p/Po = Ud*2/Uo = 1.8*2/400= 0.90% 2.105%

4. 開關管（IXFX44N80）
開關管通態損耗：0.190Ω*1.5（熱態）*11A^2/5000W = 0.69% 2.795%
關斷損耗：（520V*2A*0.2us/32us+520V/2*12.5A*0.015us/32us）/5000W = 0.16% （仿真結果，出入較大） 2.955%
5. 變壓器損耗：
銅損：9/16，0.1mm線700股，5.495mm2，長度1000mm，銅的電阻率為17.5x10-8，線包導線電阻6.37mΩ。
額定輸入AC380V情況下，輸入整流電壓380Vx1.2 = DC456V，輸入大功率400Vx12.5A/0.91/0.9=6105W，
輸入電流13.4A，半橋LLC變壓器初級電流有效值26.8A。線包總銅損 = 26.8x26.8x6.37x2/1000=9.15W，占0.183%。 3.138%
（實測初級8 mΩ，次級18 mΩ）
以天通的TP4磁芯為例，磁導率2300，功率損耗650kW/m3（100kHz0.2T），PL=aB2.00F1.46，
得出磁滯損耗系數a=19.54。LSAD3，滿載工作頻率30kHz，磁感應強度0.3T，磁芯單位體積損耗PL=252 kW/m3，
雙EE70磁芯2*102 cm3，總損耗51.4W，占5000W輸出功率的1.028%。
4.166%
6. 諧振電感損耗：
銅損：8匝，0.1mm線700股，5.495mm2，長度750mm，銅的電阻率為17.5x10-8，線包導線電阻2.39mΩ。
半橋LLC諧振電流有效值26.8A。線包銅損 = 26.8x26.8x2.39/1000=1.72W，占0.034%。
4.2%
以天通的TP4磁芯為例，磁導率2300，功率損耗650kW/m3（100kHz0.2T），PL=aB2.00F1.46，得出磁滯損耗系數a=19.54。
LSAD3，滿載工作頻率30kHz，磁感應強度0.3T，磁芯單位體積損耗PL=252 kW/m3，EE70磁芯102 cm3，
損耗25.7W，占5000W輸出功率的0.514%。 4.714%

7. PCB線路的損耗不可忽略。35um厚，平均20mm寬，總長平均1500mm，12.5A電流的損耗是：58.59W，占1.17%。 5.884%
8. 輔助電源
7812：（18V-12V）*0.4A=2.4W
7805：（10V-5V）*0.1A=0.5W
20W*15%=3W
損耗：5.9W
風機：23.25W 總損耗：29.15W，占0.583% 6.467%

9. 電解電容：紋波電壓0.4%*400V=1.6V，ESR大約100 mΩ，損耗25.6W
假定輸入濾波損耗15W，諧振電容損耗15W，則總占比1.11% 7.577%

10. 熔斷器損耗：

總計算損耗7.577%，計算效率92.4%，與實測比較接近。
實測的變壓器銅損比計算值大，計算未考慮趨膚效應及其它雜散損耗；
實測的變壓器鐵損比計算值小，計算時所取的B值過大，實際勵磁電流較小，B較小。

電解電容的損耗不容忽視，實測470uF400V2并2串，274 mΩ。

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| 發布時間：2017.04.18 來源：世紀電源

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