開關(guān)元件是簡單的電子開關(guān)，通常由三個引腳組成，其中一個引腳中的電壓或電流的存在允許電流在其他兩個引腳之間流動。要將設(shè)備設(shè)置為導(dǎo)通或阻斷狀態(tài)，并因此結(jié)束此過程，所需的過渡時間非常短，但不是立即的。這段時間會產(chǎn)生能量浪費(fèi)，稱為“開關(guān)損耗”，是轉(zhuǎn)換電路中大部分損耗的原因。它恰好發(fā)生在電壓信號和電流信號之間的交點(diǎn)處。讓我們看看不同類型的切換。

硬切換

這種類型的開關(guān)涉及有源元件（晶體管、Mosfet 或其他）的簡單開關(guān)，通過使電壓或電流流過第三個引腳，以便將其打開和關(guān)閉，即進(jìn)行連續(xù)開關(guān)。但是，使用這種技術(shù)也會產(chǎn)生電磁干擾。這對于電子元件來說是一個繁重的開關(guān)，因為持續(xù)的開關(guān)會給電子電源開關(guān)帶來壓力。不幸的是，今天的大部分電源轉(zhuǎn)換器都使用此程序，這可能是出于經(jīng)濟(jì)原因。此外，他們的平均壽命急劇下降。圖 1 顯示了一個典型的接線圖，其中 IRF530 Mosfet 的柵極端子受到頻率為 100 kHz 的 10 V 方波脈沖序列的影響。

圖 1：在此接線圖中，Mosfet 受到柵極上的一系列脈沖的影響，以交替啟用和禁用漏極和源極之間的電流傳導(dǎo)。

圖 2 顯示了電路關(guān)鍵點(diǎn)的波形圖。下圖顯示藍(lán)色曲線，代表漏極電壓，紅色曲線代表漏極電流。切換不是立即進(jìn)行的，因此在兩個信號之間的交叉點(diǎn)附近有大量未使用的功率耗散。功率消耗如上圖所示，以綠色表示，代表 Mosfet 消耗的功率。這一點(diǎn)表示開關(guān)損耗。理論上，可以降低開關(guān)頻率，但是信號的諧波失真會增加太多。

圖2：硬開關(guān)電路中Mosfet的電壓、電流和功率曲線圖

剛剛檢查的電路的效率如圖 3 中的公式所示，等于 95.910%。

圖 3：硬開關(guān)電路的效率

軟切換

有很多方法可以在轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。這個想法是使用 LC 瞬變并創(chuàng)建強(qiáng)制擺動。因此，軟開關(guān)使用 LC 諧振電路來打開和關(guān)閉電子開關(guān)?？刂崎_關(guān)時序以最小化電壓和電流兩個波形的交集。降低功率損耗以提高效率非常重要。它還有助于降低電感、變壓器和二極管的損耗。該方法涉及切換 ZVS 和 ZCS。實(shí)際上，電子開關(guān)是利用諧振現(xiàn)象在 ZVS 或 ZCS 條件下打開和關(guān)閉的。這種類型的開關(guān)降低了噪聲和開關(guān)損耗，因為晶體管在零（或接近零）電壓或電流時開啟和關(guān)閉。軟開關(guān)技術(shù)需要更復(fù)雜的控制電路，因為需要精確協(xié)調(diào)各種波形。對于該模型，除了變量 Vgs、Vds 和 Id 之外，還考慮了緩沖電容器的電流及其變化率。這些類型的轉(zhuǎn)換器可以使用單個電子開關(guān)或多個開關(guān)制成。單開關(guān)轉(zhuǎn)換器對晶體管施加更大的壓力，而半橋轉(zhuǎn)換器，尤其是全橋轉(zhuǎn)換器適用于更高的功率。這些轉(zhuǎn)換器被稱為“諧振”。如果后者僅在開關(guān)期間發(fā)生，則它們被稱為“準(zhǔn)諧振”轉(zhuǎn)換器，如圖 4 中的原理圖所示。這種技術(shù)有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)，如前所述，表現(xiàn)為損耗和高頻噪聲的減少。另一方面，電子元件的數(shù)量增加，電路變得更加復(fù)雜。

F圖 4：“準(zhǔn)諧振”轉(zhuǎn)換器的通用方案

使用軟開關(guān)系統(tǒng)，在晶體管開關(guān)過程中避免了波形重疊。由于開關(guān)過程中耗散的功率極小，因此電磁干擾也非常低。

圖 5 顯示了應(yīng)用于先前電路的相同臨界點(diǎn)的波形圖。上圖顯示了藍(lán)色曲線，代表漏極電壓，紅色曲線代表漏極電流。這次的重疊最小，功耗要低得多，如上圖所示，綠色表示 Mosfet 的功耗。

Mosfet 受到 10 V 方波的影響 圖 5：Mosfet 在軟開關(guān)電路中的電壓、電流和功率曲線圖

這種電路的效率很容易超過 98%。

結(jié)論

與功率電路損耗相關(guān)的方面是一個極其廣泛的主題，現(xiàn)代技術(shù)正在引領(lǐng)一項旨在改善它的深入研究。軟開關(guān)電路使用LC諧振系統(tǒng)來打開和關(guān)閉電子開關(guān)。因此，它們更復(fù)雜、更昂貴。反應(yīng)性組分的分級也相當(dāng)復(fù)雜。漸進(jìn)開關(guān)有助于降低噪聲和開關(guān)損耗，因為晶體管在零或接近零的電壓或電流下開啟和關(guān)閉。這項技術(shù)目前主要用于電磁爐和微波爐。在安全操作區(qū)域方面，軟切換比硬切換具有進(jìn)一步的優(yōu)勢。有些電路甚至由微控制器管理，微控制器可以極其精確地調(diào)節(jié)晶體管的開關(guān)時間。雖然電子技術(shù)非常先進(jìn)和復(fù)雜，但只有當(dāng)晶體管具有接近零的低得多的Rds（on）特性時，我們才能有效降低開關(guān)損耗。

審核編輯：郭婷