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来自工程师的声音

减轻环境负荷的电源技术动态 Part 1

AC/DC转换器的
效率改善至关重要

关键词
  • AC适配器
  • 环境问题
  • 高效化
  • 减少数量
  • AC/DC转换器
  • 核能发电
  • 美国能源部(DOE)的能效标准
  • 二极管整流方式
  • 正向电压Vf的传导损耗
  • 同步整流方式
  • PWM反激式
  • 连续模式工作

近年来,环境问题已经成为全球性问题,无论什么领域都需要支持环境保护。在电源领域对节能的要求也越来越严格,不仅对转换效率,甚至对待机功耗也都制定了相应标准等。而且,作为减轻环境负荷的一个重要环节,对减少工业废弃物的要求越来越高。基于这些情况,我们就电源技术在减轻环境负荷方面的发展趋势,采访了ROHM株式会社 LSI本部 产品开发担当 应用工程部的加藤 辽先生。

-节能环保已经成为全球范围的硬性要求。在电源领域,高效化成为第一课题已经由来已久。最近听说对减少电源领域工业废弃物的措施也要求越来越严苛。请您先介绍一下相关情况。

比如AC适配器等电源,由于对电气产品的性能和功能不会产生太大的影响,所以除了供给必要的电压和电流之外,并没有什么特别需要评估的项目。可是近年来,对AC适配器等外部电源的关注度也已经非常高了。我想这还是因为环境问题,以及为了满足相关标准的要求,需要包括技术解决方案在内的诸多努力。在环境问题方面,AC适配器等有两个重要课题。一个是“高效化”。另一个是为了减少工业废弃物,减少AC适配器等外部电源本身的“数量”。

-明白了。那么接下来请您逐一介绍一下。首先是高效化,在我的印象里,效率现在已经达到相当高的水平了吧。

用于电子设备等的DC/DC转换器中,效率高达95%左右的产品并不罕见,所以可以说的确已经达到了相当高的水平。但是,关于AC适配器等AC/DC转换器的话,随着开关方式的普及,效率已经得到很大程度的改善,但大多数的效率还只是停留在80%~90%的级别。

-这么说来,作为电力来源的AC/DC转换的效率改善就显得非常重要了。

的确如此。电气产品的生产数量逐年增加,用电量也与其成正比呈逐年增加的趋势。如今,电气产品每年生产50亿台左右,其中大多数都配备有电源模块或电源电路。假设这些电源的损耗1台能够改善1W,那么简单计算一下就可以知道每年可节约50亿W的用电量。这相当于5座核电站的发电量,是非常巨大的节能效果。我想这一点是很容易理解的。

-这样一想还真切实感受到了改善已经是当务之急。

在这样的背景下,各国的标准团体等也在不断加强效率方面的管制和规定,开发满足这些标准或规范的电源模块和电源电路已经是必经之路。

-比如有什么样的标准?

举个AC适配器相关的例子来说,就是美国能源部(DOE)的六级能效标准。这是2014年2月发布、2016年2月开始实施的很严格的标准。对象AC适配器等外部电源如果不满足该标准,将不允许在美国国内销售。如下表所示,该标准按额定输出功率分类,并规定了工作时的平均效率和无负载时的功耗。

-在这里的这台电脑的AC适配器是16V、2.5A。

这样的话,输出电压6V以上,输出功率是40W,在上表中对应第2行。计算一下平均效率应该是87.6%以上,无负载时的功耗应该是0.1W以上。这就是说,这款AC适配器如果不白用开关方式,则基本上不可能满足要求,即使采用开关方式也是相当苛刻的条件。

-这也就是说,要想满足这个标准的要求,必须有更高效率的解决方案对吗?

我认为解决方案中还是必须融入更高效的技术或方式。以往的AC/DC转换器电路简单又比较便宜,所以整流元件多采用使用了二极管的二极管整流方式。提高二极管整流方式效率的主流作法是改善MOSFET等开关元件和二极管等整流元件的特性,但仅凭这些功率元器件的改善已经无法追赶近年来的要求。

由于元器件技术是有极限的,为了解决这些问题,作为更高效的电路技术,多采用同步整流方式

-据了解,DC/DC转换器因从二极管整流方式变为同步整流方式而使效率得到大幅提升,道理是否是相同的呢?

基本上是相同的方法。工作方式是与一次侧的开关同步,使二次侧的整流元件MOSFET导通/关断。整流元件从二极管变为MOSFET后,与二极管的Vf对应的传导损耗成为MOSFET的导通电阻和Ids引起的压降。您应该知道,同步整流方式所使用的MOSFET的导通电阻非常低,通常只有十几毫欧左右,所以可大幅降低损耗。这一点的道理与DC/DC转换器是相同的。

-我想DC/DC转换器采用同步整流方式已经是很早以前的话题了。为什么在AC/DC转换器中二极管整流还是主流方式?

大多数低电压的DC/DC转换器都采用同步整流方式,所以同步整流方式并不是什么崭新的技术。但是,AC/DC转换器在控制方法等方面还存在一些课题,成为普及同步整流方式的障碍。

很多AC/DC转换器是PWM反激式转换器,根据输入输出条件或变压器规格使用连续模式工作。然而,单单与同步整流方式组合的话,在连续模式工作时将无法正常控制,一次侧开关元件(MOSFET)和二次侧整流元件(MOSFET)将同时导通,可能会因直通电流((Flow-through Current))导致元件损坏。因此,主要措施是为了防止同时导通而增加保护电路,或采用不会在连续模式下工作的准谐振方式或仅在非连续模式工作条件下使用。

-明白了。接下来请您介绍一下具体的解决方案。

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