開關損耗

開關損耗（Switching-Loss）包括開通損耗（Turn-on Loss）和關斷損耗(Turn-of Loss)，常常在硬開關（Hard-Switching）和軟開關（Soft-Switching）中討論。

所謂開通損耗（Turn-on Loss），是指非理想的開關管在開通時，開關管的電壓不是立即下降到零，而是有一個下降時間，同時它的電流也不是立即上升到負載電流，也有一個上升時間。在這段時間內，開關管的電流和電壓有一個交疊區，會產生損耗，這個損耗即為開通損耗。

以此類比，可以得出關斷損耗產生的原因，這裏不再贅述。

開關損耗另一個意思是指在開關電源中，對大的MOS管進行開關操作時，需要對寄生電容充放電，這樣也會引起損耗。

開關管工作狀態有兩種:斷開狀態和導通狀態。斷開狀態時, 流過開關的電流為0, 雖然開關兩端電壓不為0,但P =UI =0,所以不消耗功率。導通狀態時, 開關上流過電流, 但開關兩端電壓為0, 同樣P =UI =0。實際上開關器件開關時總有一個過渡狀態,會導致開關損耗。而且開關損耗與開關頻率成正比 ^[1]  。

開關損耗包括導通損耗和截止損耗。導通損耗產生的原因:導通瞬間開關器件電壓的不能馬上降為0, 而電流從0已上升,因此在開關管上產生電壓電流交替現象,而產生損耗電壓不能馬上降為0的原因是開關器件上有寄生電容,電容上電壓不能突變,即不能馬上降為0, 從而產生功率損耗。在導通過程中,寄生電容的儲能通過開關器件放掉而損失。截止損耗產生的原因:截止瞬間開關器件電流不能馬上降為0, 而電壓已經從0上升, 在開關器件上產生電壓電流交替現象。電流不能馬上為0的原因是, 與開關器件連接的電路中有寄生電感, 阻礙電流變化。並且逆變電路中變壓器是電感元件, 當開關突然關斷時, 變壓器電感元件電流不能突變,並會產生很大的反激電壓, 阻礙電流變化, 通過電路加在開關管上, 產生比較大的損耗。提高開關速度不但不能消除損耗, 反而會使反激電壓越大,損耗更大 ^[1]  。

一般情況下, 截止損耗比導通損耗大很多。因為導通變截止時,功率管大電流突然降為0時,產生較大的反激電壓,從而使開關管功率損耗比較大。減少開關損耗, 關鍵是減少截止損耗 ^[1]  。

減小開關損耗一方面要儘可能地製造出具有理想開關特性的器件,另一方面利用新的線路技術改變器件開關時期的波形,如:晶體管緩衝電路,諧振電路,和軟開關技術等 ^[1]  。

(1)晶體管緩衝電路(即加吸收網絡技術)

早期電源多采用此線路技術。採用此電路, 功率損耗雖有所減小,但仍不是很理想。①減少導通損耗在變壓器次級線圈後面加飽和電感, 加反向恢復時間快的二極管,利用飽和電感阻礙電流變化的特性, 限制電流上升的速率,使電流與電壓的波形儘可能小地重疊。②減少截止損耗加R 、C 吸收網絡, 推遲變壓器反激電壓發生時間, 最好在電流為0時產生反激電壓,此時功率損耗為0。該電路利用電容上電壓不能突變的特性,推遲反激電壓發生時間。為了增加可靠性,也可在功率管上加R 、C 。但是此電路有明顯缺點:因為電阻的存在,導致吸收網絡有損耗 ^[1]  。

(2)諧振電路

該電路只改變開關瞬間電流波形,不改變導通時電流波形。只要選擇好合適的L 、C ,結合二極管結電容和變壓器漏感, 就能保證電壓為0時,開關管導通或截止。因此, 採用諧振技術可使開關損耗很小。所以, SWITCHTEC 電源開關頻率可以做到術結構380kHz的高頻率 ^[1]  。

(3)軟開關技術

該電路是在全橋逆變電路中加入電容和二極管。二極管在開關管導通時起鉗位作用, 並構成瀉放回路, 瀉放電流。電容在反激電壓作用下, 電容被充電, 電壓不能突然增加, 當電壓比較大的時侯, 電流已經為0 ^[1]  。