开关损耗及软开关技术

开关损耗及软开关技术
概述
本文简单介绍了开关电路的常见形式，讲述了开关电路开通和截止的过程以及开关损耗产生的原因。

最后介绍了减少开关损耗的办法—软开关技术。

开关电路简介
开关是我们经常碰到的一种物品，如电灯的开关，电源的开关，电闸，继电器等。

现代电子电路中也经常会使用到开关电路。

只不过在电子电路中的开关与上面所提到的机械方式的开关不同,电子电路中的开关一般利用晶体管或场效应管的导通截止特性构成。

开关电路经常出现在电源，功率放大器，电机伺服，音视频切换等电路中。

下面举两个例子
开关电源中的开关管(Q)
D 类音频功率放大器中的开关管(M1,M2)
从上面两个例子可以看出在功率电子电路中是用的开关电路有以下两个特点
1、 开关管的负载都是感性负载(开关电源电路中的f L 和音频功放中的1L )
2、 都有相应的续流二极管(如开关电源电路中的D)
*在音频功放中的续流二极管实际上是功率场效应管的体二极管。

开关电路的开关过程及开关损耗
以开关电源电路中的开关电路为例介绍一下开关的过程。

在这里假定电感f L 较大所以在开关过程中流过电感的电流可以近似认为没有变化。

开通过程
下图描述了开关管开通时电压电流的关系，其中CE V 指得是开关管Q 发射极和集电极之间的电压，对场效应管就是源极(S)和漏极(D)之间的电压。

L I 是关断前电感流过的电流。

在0t 时刻开关管Q 开始流过电流，开关管逐渐开通。

在10~t t 时刻流过开关管Q 的电流逐渐增大，同时流过二极管D 的电流逐渐减小。

在此时刻Q 一直工作在放大状态，即流过开关管的电流的大小是由流过基极的电流大小决定的。

在1t 时刻开关管Q 流过了所有的L I ，这时流过二极管的电流为零。

但是由于二极管反向恢复时间的原因，二极管不会立即进入截止状态，而是要继续保持一段时间的导通。

在21~t t 时刻流过开关管的电流继续增大，Q 还是工作在放大状态。

二极管处于反向恢复期流过反向的电流。

在2t 时刻二极管的反向电流开始减小。

在此时刻流过开关管的电流已经不再由Q 基极电流的大小决定，所以在此时刻Q 工作在放大和饱和的临界状态。

在32~t t 时刻流过开关管的电流开始减小，同时开关管两端的电压也开始急剧下降，电压下降的速度主要取决于二极管的反向恢复过程。

在3t 时刻二极管完全截止。

在43~t t 时刻里开关管处于动态饱和区CE 端的压降受三极管本身的特性，积极驱动电流，和结温影响。

这里不再讨论。

关断过程
关断过程可以分成两部分
10~t t 时刻开关管逐渐退出饱和状态两端电压不断上升。

但是流过其中的电流大小没有明显变化。

21~t t 时刻开关管逐渐关断，而二极管逐渐导通。

在关断过程中开关管决定了电流和电压的变化率。

开关损耗
开关管在开通和关断过程中的损耗是在这两个过程中电压和电流曲线相交部分的面积，也就是开关管电压、电流不同时为零而导致的开关管的功耗。

开关损耗在计算的时候可以实际测量电压电流的波形并通过折线法近似求出，关于开关损耗的计算可以参考《功率晶体管和开关二极管的应用技巧》一书
减小开关损耗的方法和软开关技术
为了减小开关损耗可以减小开关过程所占用的时间，改善开关管的驱动技术、选用快恢复的二极管是可以考虑的方法。

在这里介绍另一种减少开关损耗的方法—软开关技术。

因为开关损耗的产生都是因为加在开关管两端的电压电流不同时为零，如果要消除开关损耗可以使开关管在其两端的电压电流两者之一或是同时为零的时候进行开关状态的转换。

这种方法就是软开关技术
通过软开关的方法减少开关损耗
实现软开关的方法有很多，在这里介绍一种称为零电压谐振开关的技术。

零电压开关的基本形式如下图所示:
零电压开关的基本形式
其基本思想是：1S 导通时r C 两端的电压为零，这样在1S 关断的时候就可以实现零电压关断；在关断期间利用r C 和r L 的谐振使1S 两端的电压变为零，这样在1S 开通的时候就可以实现零电压开通。

下面以开关电源中的开关电路为例介绍一下零电压谐振开关的工作过程
零电压开关准谐振变换器电路图
因为电感f L 较大所以在开关过程中流过电感的电流可以近似认为没有变化。

所以可以将电感f L 当成一个衡流源来分析。

下图表示了零电压开关准谐振变换器的主要波形
零电压开关准谐振变换器的主要波形
在0t 时刻之前开关管导通，电感f L 的电流全部流过开关管，电感r L 上没有电流流过。

0t 之前电流的分布
在0t 时刻开关管关断，因为电容r C 的存在，开关管两端的电压是缓慢上升的所以开关管是零电压开通。

10~t t 阶段是电容r C 的充电阶段，电容r C 两端的电压逐渐上升。

电路中的电流如下图所示流动。

10~t t 电容充电阶段
在1t 时刻电容两端的电压r c V 达到了输出电压o V 这时二极管1D 开始导通，电感r L 开始
流过电流。

21~t t 阶段是谐振阶段，电流如下图所示流动。

21~t t 谐振阶段
a t t 11~阶段流过r L 的电流小于流过f L 的电流，这时电容r C 继续充电。

在a t 1时刻流过r L 的电流等于流过f L 的电流，这时电容r C 停止充电。

21~t t a 时刻流过r L 的电流大于流过f L 的电流。

电容r C 放电。

在2t 时刻电容r C 的电压降为零伏。

但是电感r L 的电流还是大于流过f L 的电流，这时1Q D 导通。

32~t t 时刻电感持续放电。

当1Q D 导通时，开关管两端的压降可以认为零伏，这时开通开关管1Q 就实现了零电压开通。

电流如下图所示
32~t t 时刻电感放电
在3t 时刻电感电流降为零。

电路电流的分布又回到了0t 之前的状态。

总结
本文简单介绍了开关损耗的产生原因，及减小开关损耗的方法。

如果对该内容需要更深的了解的话可以参考相应的参考书目。

参考书目
《直流开关电源的软开关技术》 阮新波 严仰光
《功率晶体管和开关二极管的应用技巧》 [法]让·玛里·皮特 等。