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減輕環境負載的電源技術動態 Part 1

AC/DC轉換器的
效率改善至關重要

Keyword
  • AC轉接器
  • 環境問題
  • 高效化
  • 減少數量
  • AC/DC轉換器
  • 核能發電
  • 美國能源部(DOE)的能效標準
  • 二極體整流方式
  • 正向電壓Vf的傳導損耗
  • 同步整流方式
  • PWM返馳式
  • 連續模式工作

近年來,環境問題已經成為全球性問題,無論什麼領域都需要支援環境保護。在電源領域對節能的要求也越來越嚴格,不僅對轉換效率,甚至對待機功耗也都制定了相應標準等。而且,作為減輕環境負載的一個重要環節,對減少工業廢棄物的要求越來越高。基於這些情況,我們就電源技術在減輕環境負載方面的發展趨勢,採訪了ROHM株式會社 LSI本部 產品研發擔當 應用工程部的加藤 遼先生。

-節能環保已經成為全球範圍的硬性要求。在電源領域,高效化成為第一課題已經由來已久。最近聽說對減少電源領域工業廢棄物的措施也要求越來越嚴苛。請您先介紹一下相關情況。

比如AC轉接器等電源,由於對電氣產品的性能和功能不會產生太大的影響,所以除了供給必要的電壓和電流之外,並沒有什麼特別需要評估的專案。可是近年來,對AC轉接器等外部電源的關注度也已經非常高了。我想這還是因為環境問題,以及為了滿足相關標準的要求,需要包括技術解決方案在內的諸多努力。在環境問題方面,AC轉接器等有兩個重要課題。一個是“高效化”。另一個是為了減少工業廢棄物,減少AC轉接器等外部電源本身的“數量”。

-明白了。那麼接下來請您逐一介紹一下。首先是高效化,在我的印象裡,效率現在已經達到相當高的水平了吧。

用於電子裝置等的DC/DC轉換器中,效率高達95%左右的產品並不罕見,所以可以說的確已經達到了相當高的水平。但是,關於AC轉接器等AC/DC轉換器的話,隨著開關方式的普及,效率已經得到很大程度的改善,但大多數的效率還只是停留在80%~90%的級別。

-這麼說來,作為功率來源的AC/DC轉換的效率改善就顯得非常重要了。

的確如此。電氣產品的生產數量逐年增加,用電量也與其成正比呈逐年增加的趨勢。如今,電氣產品每年生產50億台左右,其中大多數都配備有電源模組或電源電路。假設這些電源的損耗1台能夠改善1W,那麼簡單計算一下就可以知道每年可節約50億W的用電量。這相當於5座核電站的發電量,是非常巨大的節能效果。我想這一點是很容易理解的。

-這樣一想還真切實感受到了改善已經是當務之急。

在這樣的背景下,各國的標準團體等也在不斷加強效率方面的管制和規定,研發滿足這些標準或規範的電源模組和電源電路已經是必經之路。

-比如有什麼樣的標準?

舉個AC轉接器相關的例子來說,就是美國能源部(DOE)的六級能效標準。這是2014年2月發佈、2016年2月開始實施的很嚴格的標準。物件AC轉接器等外部電源如果不滿足該標準,將不允許在美國國內銷售。如下表所示,該標準按額定輸出功率分類,並規定了工作時的平均效率和無負載時的功耗。

-在這裡的這台電腦的AC轉接器是16V、2.5A。

這樣的話,輸出電壓6V以上,輸出功率是40W,在上表中對應第2行。計算一下平均效率應該是87.6%以上,無負載時的功耗應該是0.1W以上。這就是說,這款AC轉接器如果不是用開關方式,則基本上不可能滿足要求,即使採用開關方式也是相當苛刻的條件。

-這也就是說,要想滿足這個標準的要求,必須有更高效率的解決方案對嗎?

我認為解決方案中還是必須融入更高效的技術或方式。傳統的AC/DC轉換器電路簡單又比較便宜,所以整流元件多採用使用了二極體的二極體整流方式。提高二極體整流方式效率的主流作法是改善MOSFET等開關元件和二極體等整流元件的特性,但僅憑這些功率元件的改善已經無法追趕近年來的要求。

由於元件技術是有極限的,為了解決這些問題,作為更高效的電路技術,多採用同步整流方式

-據瞭解,DC/DC轉換器因從二極體整流方式變為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。工作方式是與一次側的開關同步,使二次側的整流元件MOSFET導通/關斷。整流元件從二極體變為MOSFET後,與二極體的Vf對應的傳導損耗成為MOSFET的啟動阻抗和Ids引起的壓降。您應該知道,同步整流方式所使用的MOSFET的啟動阻抗非常低,通常只有十幾毫歐左右,所以可大幅降低損耗。這一點的道理與DC/DC轉換器是相同的。

-我想DC/DC轉換器採用同步整流方式已經是很早以前的話題了。為什麼在AC/DC轉換器中二極體整流還是主流方式?

大多數低電壓的DC/DC轉換器都採用同步整流方式,所以同步整流方式並不是什麼嶄新的技術。但是,AC/DC轉換器在控制方法等方面還存在一些課題,成為普及同步整流方式的障礙。

很多AC/DC轉換器是PWM返馳式轉換器,根據輸入輸出條件或變壓器規格使用連續模式工作。然而,單單與同步整流方式組合的話,在連續模式工作時將無法正常控制,一次側開關元件(MOSFET)和二次側整流元件(MOSFET)將同時導通,可能會因直通電流((Flow-through Current))導致元件損壞。因此,主要措施是為了防止同時導通而增加保護電路,或採用不會在連續模式下工作的準諧振方式或僅在非連續模式工作條件下使用。

-明白了。接下來請您介紹一下具體的解決方案。

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