寫在前面

在開關電源這個行業干了十年了，做過的、熟悉的、了解的東西還比較多。這篇文章的內容其實斷斷續續寫了很久，試著從多個角度寬泛而不深入的寫一下開關電源工作頻率受到的限制。結論性的內容更多，論據較少，更適合電源行業的從業者閱讀。分了幾點來談，但是內容有所交叉，但愿讀完之后不會感覺很混亂。

為什么要做高頻開關電源

這里討論的電源其實是電源轉換電路。在開關電源蓬勃發展之前是工頻電源的時代，較低的頻率需要更大尺寸的變壓器和電感、電容等儲能元件。這導致電源的體積較大，轉換效率也不高。

有了開關電源之后，電源本身變得更復雜了，但是能夠將變壓器的工作頻率顯著提高，也就顯著的降低了其體積和成本。這是開關電源的優勢。

而在實際的電源產品開發中，產品要做成什么樣的體積和成本，取決于如何定義這個產品，是個需求問題，不是個設計問題。同時，產品技術方案（包括工作頻率）的選擇很大程度上還受研發團隊技術實力、過往經驗、個人偏好的影響，涉及到研發項目的風險——而如何控制風險，又是個管理問題。

在這里，我只能把這些話題都拋開，單純的從技術角度簡單說一下電源開關頻率提高頻率的動機是什么——工程師選擇更高開關頻率，通常是為了降低體積。

開關電源中的磁原件體積占比很大，而磁原件的體積與開關頻率直接相關。在開關電源磁性元件的設計中，常使用AP（Area Product面積乘積）法來選擇磁芯尺寸，即根據預設的工作條件計算出磁芯有效截面積和窗口面積的乘積：

式中P為功率，k為綜合系數（來自多個系數的合并），B為最大工作磁通密度，f為工作頻率，J為磁元件繞組的電流密度。由公式可知，所需的磁元件的AP與頻率成反比，顯然隨工作頻率上升，對磁芯體積的需求是下降的。

顯然，提高開關頻率有助于降低開關電源磁元件的體積。 類似的，隨著開關頻率的提高，開關電源中對電容的容量需求也是下降的。

隨著變壓器電感體積的下降和電容容值的下降，這些元件的成本也隨之下降。那么，一定程度上提高開關頻率，帶來的另一個收益是成本的下降。

現在的開關電源頻率有多高

現在能在VRM、POL等幾類量產產品中看到工作頻率百kHz甚至1MHz以上的實例。比如有興趣可以到行業知名公司Vicor的網站上看一下他家的系列產品，包括IBC、PRM、VTM的幾個產品系列都已經達到MHz的水平。

而中高壓、大功率開關電源中工作頻率還是在幾十kHz這個水平，幾十到幾百kHz是常見的開關電源頻率。比如目前常見的手機充電器（適配器），包括手機的無線充電座，基本上頻率都在100kHz左右；一些中小型逆變電源，開關頻率會在20kHz左右或更低。

很多百kW、MW級的電源（如感應加熱）在使用SCR和IGBT，開關頻率可能在10kHZ以下。

從kHz到MHz基本已涵蓋了常見開關電源的頻率。

開關電源頻率的限制條件之拓撲

開關電源中存在以其開關頻率不斷切換導通與截止狀態的功率器件。受物理特性的限制，這些器件在導通與截止的切換過程無法立即完成，而是需要一個過渡時間。這個過渡時間導致了開關損耗。

功率半導體的開關損耗是開關電源工作頻率提高的一大障礙。在開關電源的拓撲上，通過選擇軟開關的拓撲來降低開關損耗。

開關損耗是因為功率半導體元件在導通與截止的切換過程中，存在電壓、電流都比較大的一個過渡階段，這個過渡時間內電壓與電流的乘積較大，即損耗功率較大。通過讓功率半導體元件在低電壓或低電流時經歷這個過渡階段，就可以顯著降低其開關損耗，這就是軟開關技術。

在高頻開關電源中，軟開關是由拓撲和控制共同實現的。移相全橋、LLC拓撲的廣泛應用都顯著的提高了開關電源的工作頻率。經典且常見的硬開關拓撲如反激電源，也通過增加輔助開關和更復雜的控制實現了準零電壓開關（準諧振控制）和完全的零電壓開關（帶輔助開關的ZVS反激）。

這里先不展開講具體的拓撲。工業界選擇軟開關拓撲以降低開關損耗、提高工作頻率，同時必須接受這些拓撲的一些缺點。比如LLC拓撲對電壓的調節能力相對較差，移相全橋存在占空比丟失和次級二極管電壓應力問題，ZVS反激需要額外的輔助開關和控制信號，等等。通常，軟開關電源產品的設計復雜度、成本都會有所上升。

軟開關拓撲的發展將開關頻率由20kHz左右推高到100kHz以上，開關頻率仍然受功率半導體開關特性的限制。

（下節預告：高頻開關電源中的功率半導體元件）