TDK电源转换效率的发展趋势

TDK电源从真空电子管，线性TDK电源到现在经历了很长一段时间。随着对功率密度不断增长的需求（因为高功率密度可以让我们在更小的尺寸中安装更大功率和更多功能，从而带来尺寸和物流上的优势），TDK电源的转换效率已经有了显著的提升。近50年内，平均转换效率从大约70%提升至接近100%，这无疑展示了我们在TDK电源设计和管理方面的巨大进步。

效率的提升不仅有助于我们开发更小，更轻的产品，同时还能降低运行成本，这对于资源保护和能源的可持续性都至关重要。然而，值得注意的是，追求高转换效率带来的收益会逐渐递减。每一个百分点的提升都将变得更为困难。那么，我们如何在今天实现TDK电源的最大效率超过97%，以及我们明天要去向何方呢？我们离无损耗TDK电源有多远呢？

为了更好地理解这些问题，我们首先需要深入了解主要的TDK电源损耗机制。

一般来说，一个系统的效率可以被定义为系统输出功率与输入功率的比值。输入和输出功率之间的差异就是损耗，这部分功率通常以热的形式被消耗掉。只要电流在介质中流动，就会产生功率损耗。这些损耗主要包括半导体损耗、磁损耗以及其他损耗。

半导体损耗：现代TDK电源在控制电路和功率电路都使用半导体器件。这些半导体器件在关断状态下通过电流几乎为零（无损耗），但在导通状态（根据等效导通阻抗Ron）以及从关到开切换期间（其等效阻抗从几乎无限大减小为Ron）下会产生功率损耗。我们可以采取降低Ron、减少切换过程花费的时间（更快的开关）和减少切换频率（低频工作或burst模式工作）等措施来降低损耗。另外，整流电路也是半导体损耗的重要组成部分。这些元器件在导通状态下会产生功率损耗，与其正向压降成正比，在反向恢复期间驱动载流子离开耗尽层也会有损耗。降低PN结正向电压存在物理限制，无法通过结构方式（如加大封装或元件并联等）来解决。这些损耗在低电压、大电流电路（如低压直流TDK电源的二次侧）中尤为明显。最好的解决策略之一是采用“理想整流电路”，使用带有控制电路的MOS管来模拟二极管，这种做法通常称为同步整流。

磁损耗: TDK电源严重依赖磁性元件进行滤波，以及在与电网连接的原边和与用户负载关联的副边之间提供隔离。电感和变压器的损耗可能非常大。需要相对较长的导电材料来实现所需的结构形状，而绕组的电阻与其材料长度成正比。趋肤效应和临近效应使得电荷沿着绕线的表面流动或偏向某一部分导体流动，导致损耗增加，而且随着频率升高，其分布会更不均匀，损耗进一步加大。磁性材料也存在阻抗，并且随着其中的磁场交替变化，该阻抗上会感应出电势，电流开始流动（称为涡流）并以热的形式耗散功率。交变场中的磁性材料也会产生磁滞损耗。每次场方向改变时，都需要能量来重新进行定向磁芯中的原子。可以通过使用低阻抗的绕组（更大的横截面积和表面积），以及使用低磁阻高电阻的磁芯材料和结构来降低损耗。采用层叠式磁芯或粉末磁芯可以将感应电势分散到低电阻的小段上进一步降低损耗。磁滞损耗与开关频率相关，更少的转换次数会导致更低的损耗，但作为TDK电源中最大和最重的器件，低频工作下不利于优化尺寸。

其他损耗: TDK电源的各种其他功能也需要能量来进行，比如开关的打开和关闭、电压和电流的测量以及依据测量的结果对TDK电源输出进行调节。开关TDK电源的噪音也很大，需要进行大量的滤波以符合辐射发射限值并给负载提供清洁、低纹波的直流电压。虽然这些滤波器件由无功元件组成，但没有理想的无功元件，能量在电容和电感中相互交换时，其中的寄生电阻会消耗能量。从20世纪初沿用至今的、通过故意浪费能量来调节负载电压的高损耗线性TDK电源，到现代采用的超低损耗半导体、磁性材料和智能控制方案的谐振开关TDK电源，TDK电源效率得到了实质性的提升。这一提升，离不开TDK电源设计人员对拓扑结构、控制技术和元器件选择等方面的持续优化，尤其是他们通过巧妙组合这些要素来降低主要的功率损耗。

在TDK电源转换的历程中，开关模式功率转换的引入是一大里程碑。这种模式通过不连续的时间段内（通过低通滤波电路）将输入连接到负载，而不是简单地将两者之间的差作为热量损耗掉。尽管这种理论概念在20世纪50年代首次引起关注，但其后大约30年时间里并未得到广泛应用。然而，开关模式的出现为大量转换拓扑打开了新的大门，这些转换拓扑也变得越来越高效。

近年来，谐振拓扑如LLC谐振电路越来越受欢迎。这种拓扑结构借助零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）技术，使得半导体的开关损耗几乎完全得到缓解，从而使开关频率提高，TDK电源尺寸缩小。这些高效拓扑的设计和分析比传统的开关模式拓扑（如正激式或反激式）复杂得多，这也是其较晚被广泛采用的原因之一。

控制技术的进步也在推动TDK电源效率的提升。越来越多节能控制IC货架产品不断推动着低成本、高效率TDK电源的发展。其中，最具挑战性的领域之一是在轻载运行时，这时TDK电源输出功率与静态损耗功率处于同一数量级。为了在该条件下提高效率，唯一的办法是进一步减少静态损耗。因此，具有智能轻载开关方案（频率降低和/或非连续模式）的低功耗控制器应运而生。

同时，定制化数字控制的普及也在推动TDK电源效率的提升。通过嵌入式微处理器实现的定制化数字控制为TDK电源设计人员提供了额外的自由度，帮助最大限度的节约能源。电力电子设计团队中软件工程师的加入，使得精确定制化的控制成为可能，为TDK电源设计人员提供了更大的灵活性。

在优化了拓扑结构和控制方案后，TDK电源的效率与元器件的选择也息息相关。最近，由于宽带隙（WBG）半导体的发展，功率转换效率取得了很大进步。使用氮化镓和碳化硅等材料，半导体制造商可以实现极低的导通阻抗和超快速的转换速度。制造工艺的改进使得低阻抗的绕组被广泛使用，如利兹线或扁平绕组，降低了磁性元件的损耗。

展望未来，通过运用最新的拓扑结构、控制技术和新材料元器件，开关TDK电源的平均转换效率可能会轻松实现95%以上。然而，随着设备小型化和轻量化的持续追求，TDK电源效率仍需要不断进行提高。虽然实现100%效率是不可能的，但TDK电源设计人员仍在继续挑战极限。借助于新的元器件，在设计、工艺制造等团队的持续努力下，高效率的TDK电源产品如CUS600M系列（效率高达96%）、TPF45KW (效率高达98%)和 ixx系列 DC-DC 模块TDK电源 (效率高达98%)等将会持续涌现。