写在前面
在开关电源这个行业干了十年了，做过的、熟悉的、了解的东西还比较多。这篇文章的内容其实断断续续写了很久，试着从多个角度宽泛而不深入的写一下开关电源工作频率受到的限制。结论性的内容更多，论据较少，更适合电源行业的从业者阅读。分了几点来谈，但是内容有所交叉，但愿读完之后不会感觉很混乱。
为什么要做高频开关电源
这里讨论的电源其实是电源转换电路。在开关电源蓬勃发展之前是工频电源的时代，较低的频率需要更大尺寸的变压器和电感、电容等储能元件。这导致电源的体积较大，转换效率也不高。
有了开关电源之后，电源本身变得更复杂了，但是能够将变压器的工作频率显著提高，也就显著的降低了其体积和成本。这是开关电源的优势。
而在实际的电源产品开发中，产品要做成什么样的体积和成本，取决于如何定义这个产品，是个需求问题，不是个设计问题。同时，产品技术方案（包括工作频率）的选择很大程度上还受研发团队技术实力、过往经验、个人偏好的影响，涉及到研发项目的风险——而如何控制风险，又是个管理问题。
在这里，我只能把这些话题都抛开，单纯的从技术角度简单说一下电源开关频率提高频率的动机是什么——工程师选择更高开关频率，通常是为了降低体积。
开关电源中的磁原件体积占比很大，而磁原件的体积与开关频率直接相关。在开关电源磁性元件的设计中，常使用AP（Area Product面积乘积）法来选择磁芯尺寸，即根据预设的工作条件计算出磁芯有效截面积和窗口面积的乘积：
式中P为功率，k为综合系数（来自多个系数的合并），B为最大工作磁通密度，f为工作频率，J为磁元件绕组的电流密度。由公式可知，所需的磁元件的AP与频率成反比，显然随工作频率上升，对磁芯体积的需求是下降的。
显然，提高开关频率有助于降低开关电源磁元件的体积。 类似的，随着开关频率的提高，开关电源中对电容的容量需求也是下降的。
随着变压器电感体积的下降和电容容值的下降，这些元件的成本也随之下降。那么，一定程度上提高开关频率，带来的另一个收益是成本的下降。
现在的开关电源频率有多高
现在能在VRM、POL等几类量产产品中看到工作频率百kHz甚至1MHz以上的实例。比如有兴趣可以到行业知名公司Vicor的网站上看一下他家的系列产品，包括IBC、PRM、VTM的几个产品系列都已经达到MHz的水平。
而中高压、大功率开关电源中工作频率还是在几十kHz这个水平，几十到几百kHz是常见的开关电源频率。比如目前常见的手机充电器（适配器），包括手机的无线充电座，基本上频率都在100kHz左右；一些中小型逆变电源，开关频率会在20kHz左右或更低。
很多百kW、MW级的电源（如感应加热）在使用SCR和IGBT，开关频率可能在10kHZ以下。
从kHz到MHz基本已涵盖了常见开关电源的频率。
开关电源频率的限制条件之拓扑
开关电源中存在以其开关频率不断切换导通与截止状态的功率器件。受物理特性的限制，这些器件在导通与截止的切换过程无法立即完成，而是需要一个过渡时间。这个过渡时间导致了开关损耗。
功率半导体的开关损耗是开关电源工作频率提高的一大障碍。在开关电源的拓扑上，通过选择软开关的拓扑来降低开关损耗。
开关损耗是因为功率半导体元件在导通与截止的切换过程中，存在电压、电流都比较大的一个过渡阶段，这个过渡时间内电压与电流的乘积较大，即损耗功率较大。通过让功率半导体元件在低电压或低电流时经历这个过渡阶段，就可以显著降低其开关损耗，这就是软开关技术。
在高频开关电源中，软开关是由拓扑和控制共同实现的。移相全桥、LLC拓扑的广泛应用都显著的提高了开关电源的工作频率。经典且常见的硬开关拓扑如反激电源，也通过增加辅助开关和更复杂的控制实现了准零电压开关（准谐振控制）和完全的零电压开关（带辅助开关的ZVS反激）。
这里先不展开讲具体的拓扑。工业界选择软开关拓扑以降低开关损耗、提高工作频率，同时必须接受这些拓扑的一些缺点。比如LLC拓扑对电压的调节能力相对较差，移相全桥存在占空比丢失和次级二极管电压应力问题，ZVS反激需要额外的辅助开关和控制信号，等等。通常，软开关电源产品的设计复杂度、成本都会有所上升。
软开关拓扑的发展将开关频率由20kHz左右推高到100kHz以上，开关频率仍然受功率半导体开关特性的限制。
（下节预告：高频开关电源中的功率半导体元件）