电源设计的硬开关和软开关的使用注意事项

开关元件是简单的电子开关，通常由三个引脚组成，其中一个引脚中的电压或电流的存在允许电流在其他两个引脚之间流动。要将设备设置为导通或阻断状态，并因此结束此过程，所需的过渡时间非常短，但不是立即的。这段时间会产生能量浪费，称为“开关损耗”，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。让我们看看不同类型的切换。

硬切换

这种类型的开关涉及有源元件（晶体管、Mosfet 或其他）的简单开关，通过使电压或电流流过第三个引脚，以便将其打开和关闭，即进行连续开关。但是，使用这种技术也会产生电磁干扰。这对于电子元件来说是一个繁重的开关，因为持续的开关会给电子电源开关带来压力。不幸的是，今天的大部分电源转换器都使用此程序，这可能是出于经济原因。此外，他们的平均寿命急剧下降。图 1 显示了一个典型的接线图，其中 IRF530 Mosfet 的栅极端子受到频率为 100 kHz 的 10 V 方波脉冲序列的影响。

图 1：在此接线图中，Mosfet 受到栅极上的一系列脉冲的影响，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。下图显示蓝色曲线，代表漏极电压，红色曲线代表漏极电流。切换不是立即进行的，因此在两个信号之间的交叉点附近有大量未使用的功率耗散。功率消耗如上图所示，以绿色表示，代表 Mosfet 消耗的功率。这一点表示开关损耗。理论上，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、电流和功率曲线图

刚刚检查的电路的效率如图 3 中的公式所示，等于 95.910%。

图 3：硬开关电路的效率

软切换

有很多方法可以在转换器中实现软开关。这个想法是使用 LC 瞬变并创建强制摆动。因此，软开关使用 LC 谐振电路来打开和关闭电子开关。控制开关时序以最小化电压和电流两个波形的交集。降低功率损耗以提高效率非常重要。它还有助于降低电感、变压器和二极管的损耗。该方法涉及切换 ZVS 和 ZCS。实际上，电子开关是利用谐振现象在 ZVS 或 ZCS 条件下打开和关闭的。这种类型的开关降低了噪声和开关损耗，因为晶体管在零（或接近零）电压或电流时开启和关闭。软开关技术需要更复杂的控制电路，因为需要精确协调各种波形。对于该模型，除了变量 Vgs、Vds 和 Id 之外，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。单开关转换器对晶体管施加更大的压力，而半桥转换器，尤其是全桥转换器适用于更高的功率。这些转换器被称为“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 中的原理图所示。这种技术有其优点和缺点。优点，如前所述，表现为损耗和高频噪声的减少。另一方面，电子元件的数量增加，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，在晶体管开关过程中避免了波形重叠。由于开关过程中耗散的功率极小，因此电磁干扰也非常低。

图 5 显示了应用于先前电路的相同临界点的波形图。上图显示了蓝色曲线，代表漏极电压，红色曲线代表漏极电流。这次的重叠最小，功耗要低得多，如上图所示，绿色表示 Mosfet 的功耗。

Mosfet 受到 10 V 方波的影响 图 5：Mosfet 在软开关电路中的电压、电流和功率曲线图

这种电路的效率很容易超过 98%。

结论

与功率电路损耗相关的方面是一个极其广泛的主题，现代技术正在引领一项旨在改善它的深入研究。软开关电路使用LC谐振系统来打开和关闭电子开关。因此，它们更复杂、更昂贵。反应性组分的分级也相当复杂。渐进开关有助于降低噪声和开关损耗，因为晶体管在零或接近零的电压或电流下开启和关闭。这项技术目前主要用于电磁炉和微波炉。在安全操作区域方面，软切换比硬切换具有进一步的优势。有些电路甚至由微控制器管理，微控制器可以极其精确地调节晶体管的开关时间。虽然电子技术非常先进和复杂，但只有当晶体管具有接近零的低得多的Rds（on）特性时，我们才能有效降低开关损耗。

审核编辑：郭婷