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把开关电源的频率无限提升，会发生怎样的情况

文章出处：责任编辑：作者：人气：-发表时间：2017-11-10 09:00:00【大中小】

1、器件的限制

对于一个开关管来说，在实际应用中，不是给个驱动就开，驱动撤掉就关了。它有开通延迟时间（tdon），上升时间（tr），关断延迟时间（tdoff），下降时间tf，对应的波形如下：

通俗的讲，开关管开通关断不是瞬间完成的，需要一定的时间，开关管本身的开关时间就限制了开关频率的提升。

曾经笔者在delta用在3kW的逆变器上的一款600V的coolmos为例。看看这些具体的开关时间是多少

那么对于这个mos管来说，它的极限开关频率(在这种极限情况下，mos管刚开通就关断)fs=1/(16+12+83+5)ns=8.6MHz，当然，在实际应用中，由于要调节占空比，不可能让开关管一开通就关断，所以实际的极限频率是远低于8.6MHz的，所以器件本身的开关速度是限制开关频率的一个因素。

2、开关损耗

当然，随着器件的进步，开关管开关的速度越来越快，尤其是在低压小功率场合，如果仅考虑器件本身的开关速度，开关频率可以run得非常高，但实际并没有，限制就在开关损耗上面。

下面给出开关管实际开通的时候对应的波形图

可以看到，开关管每开通一次，开关管DS的电压（Vds）和流过开关管的电流（Id）会存在交叠时间，从而造成开通损耗，关断亦然。假设每次开关管每开关一次产生的能量损耗是一定的，记为Esw，那么开关管的开关损耗功率就为Psw=Esw*fs，显然，开关频率越高，开关损耗越大。5M开关频率下开关损耗比500K要大10倍，这对于重视效率的开关电源来说，显然是不可接受的。所以，开关损耗是限制开关频率的第二因素。

开关损耗确实是限制因素之一，但是氮化镓器件的推出已经让开关损耗在1-3Mhz这个范围内变得可以接受，我下面附一张图片，这是三家公司推出的650V的GaN device，可以看出最好的管子开通损耗已经4uJ，关断损耗在8uJ(测试条件在400V, 12A)，甚至有家公司的650V的管子基本可以和Transphorm平齐。而同电压电流等级的硅器件很多管子都还在以mJ为单位。

下面在贴出一张低压氮化镓和硅器件的比较，可以看出，总体来说，驱动损耗也会变得很小。

还有一点很重要，宽禁带半导体的工作结温很高，以目前的工艺来说，Sic的结温可以工作到200°，氮化镓可以工作到150°。而硅器件呢，我觉得最多100°就不得了。结温高，意味着相同损耗下，需要给宽禁带半导体设计的散热器表面积要小很多，何况宽禁带半导体的损耗本身还小。

是开关频率的提高，往往只能使用QFN或者其他一些表贴器件减少封装寄生参数，这给散热系统带来了极大的挑战，原来To封装可以加散热器，减少到空气对流的热阻，而现在不行了。所以如果想在高频下工作，第一问题就是解决散热，把高开关损耗导出去，尤其是在kW级别，散热系统非常重要。现在学界解决这个问题的手段偏向于把器件做成独立封装，采用一种叫DCB的技术，用陶瓷基板散热，器件从陶瓷上表面到下表面的热阻基本为0.4°C/W（有些人也用metal core PCB, 但是要加绝缘层，热阻一般在4°C/W），而FR4为20°C/W。