如何利用硬开关和软开关减少电源损耗

开关组件是简单的电子开关，通常由三个引脚组成，其中一个引脚中存在电压或电流，电流就可以在另外两个引脚之间流动。为了将器件设置为导通或阻滞状态，从而结束该过程，所需的过渡时间非常短，但不是立即的。这段时间会浪费能量，称为“开关损耗”，这是转换电路中大部分损耗的原因。它恰好发生在电压信号和电流信号之间的交点处。让我们看一下不同类型的切换。

硬切换

这种类型的开关涉及通过使电压或电流流过第三引脚来接通和断开它，即进行连续开关，从而使有源组件（晶体管，Mosfet或其他器件）简单地进行开关。但是，使用这种技术也会产生电磁干扰。对于电子组件而言，这是一个沉重的开关，因为恒定的开关会给电子功率开关带来压力。不幸的是，可能出于经济原因，当今大多数功率转换器都使用此过程。而且，他们的平均寿命急剧下降。图1显示了典型的接线图，其中IRF530 Mosfet的Gate端子受到频率为100 kHz的10 V方波脉冲序列的影响。

图1：在此接线图中，Mosfet受到栅极上的一连串脉冲的影响，以交替启用和禁用漏极和源极之间的电流传导。

图2显示了电路关键点的波形图。下图显示了代表漏极电压的蓝色曲线和代表漏极电流的红色曲线。切换不是立即进行的，因此，在两个信号之间的交点附近会大量消耗未使用的功率。功率消耗如上图以绿色显示，代表Mosfet消耗的功率。这一点显示了开关损耗。从理论上讲，可以降低开关频率，但是信号的谐波失真会增加太多。

图2：硬开关电路中Mosfet的电压，电流和功率图

刚检查的电路效率如图3的公式所示，等于95.910％。

图3：硬开关电路的效率

软交换

有很多方法可以在转换器中实现软切换。这个想法是使用LC瞬变并产生强制摆幅。因此，软开关使用LC谐振电路来打开和关闭电子开关。控制开关时序以最大程度地减小电压和电流两个波形的交点。减少功率损耗以提高效率非常重要。它还有助于减少电感，变压器和二极管的损耗。该方法涉及切换ZVS和ZCS。实际上，电子开关会利用谐振现象在ZVS或ZCS条件下打开和关闭。由于晶体管在零（或接近零）的电压或电流下导通和关断，因此这种类型的开关可降低噪声和开关损耗。软开关技术需要更复杂的控制电路，因为各种波形需要精确地协调。对于该模型，除了变量Vgs，Vds和Id外，还考虑了缓冲电容器的电流及其变化率。这些类型的转换器可以使用单个电子开关或多个开关制成。单开关转换器在晶体管上施加更大的压力，而半桥转换器，尤其是全桥转换器则适合于更高的功率。这些转换器称为“谐振”。如果后者仅在开关期间发生，则它们被称为“准谐振”转换器，如图4的原理图所示。采用这种技术有其优缺点。如前所述，优点 通过减少损耗和减少高频噪声来代表。另一方面，电子部件的数量增加，并且电路变得更加复杂。

F图4：“准谐振”转换器的通用方案

使用软开关系统，可以避免晶体管开关期间波形的重叠。由于切换期间的耗散功率极小，因此电磁干扰也非常低。

图5显示了应用于先前电路相同临界点的波形图。上图显示了代表漏极电压的蓝色曲线和代表漏极电流的红色曲线。这次重叠最小，并且功耗（如上图所示）以绿色表示的更低，绿色表示Mosfet的功耗。

Mosfet受到10 V方波的影响图5：软开关电路中Mosfet的电压，电流和功率的曲线图

这种电路的效率很容易超过98％。

结论

与电源电路损耗有关的方面是一个极为广泛的话题，现代技术正在引导着旨在改善这种情况的深入研究。软开关电路使用LC谐振系统来打开和关闭电子开关。因此，它们更加复杂和昂贵。反应性组分的尺寸也相当复杂。渐进式开关有助于降低噪声和开关损耗，因为晶体管在零电压或接近零电压或电流时会导通和关断。该技术目前主要用于电磁炉和微波炉。就安全操作区域而言，软切换比硬切换具有更多优势。某些电路甚至由微控制器管理，该微控制器可以以极高的精度调节晶体管的开关时间。

编辑：hfy