如何利用硬開關(guān)和軟開關(guān)減少電源損耗

開關(guān)組件是簡單的電子開關(guān)，通常由三個引腳組成，其中一個引腳中存在電壓或電流，電流就可以在另外兩個引腳之間流動。為了將器件設(shè)置為導(dǎo)通或阻滯狀態(tài)，從而結(jié)束該過程，所需的過渡時間非常短，但不是立即的。這段時間會浪費(fèi)能量，稱為“開關(guān)損耗”，這是轉(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。讓我們看一下不同類型的切換。

硬切換

這種類型的開關(guān)涉及通過使電壓或電流流過第三引腳來接通和斷開它，即進(jìn)行連續(xù)開關(guān)，從而使有源組件（晶體管，Mosfet或其他器件）簡單地進(jìn)行開關(guān)。但是，使用這種技術(shù)也會產(chǎn)生電磁干擾。對于電子組件而言，這是一個沉重的開關(guān)，因?yàn)楹愣ǖ拈_關(guān)會給電子功率開關(guān)帶來壓力。不幸的是，可能出于經(jīng)濟(jì)原因，當(dāng)今大多數(shù)功率轉(zhuǎn)換器都使用此過程。而且，他們的平均壽命急劇下降。圖1顯示了典型的接線圖，其中IRF530 Mosfet的Gate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受到柵極上的一連串脈沖的影響，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。下圖顯示了代表漏極電壓的藍(lán)色曲線和代表漏極電流的紅色曲線。切換不是立即進(jìn)行的，因此，在兩個信號之間的交點(diǎn)附近會大量消耗未使用的功率。功率消耗如上圖以綠色顯示，代表Mosfet消耗的功率。這一點(diǎn)顯示了開關(guān)損耗。從理論上講，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，電流和功率圖

剛檢查的電路效率如圖3的公式所示，等于95.910％。

圖3：硬開關(guān)電路的效率

軟交換

有很多方法可以在轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)軟切換。這個想法是使用LC瞬變并產(chǎn)生強(qiáng)制擺幅。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)。控制開關(guān)時序以最大程度地減小電壓和電流兩個波形的交點(diǎn)。減少功率損耗以提高效率非常重要。它還有助于減少電感，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)會利用諧振現(xiàn)象在ZVS或ZCS條件下打開和關(guān)閉。由于晶體管在零（或接近零）的電壓或電流下導(dǎo)通和關(guān)斷，因此這種類型的開關(guān)可降低噪聲和開關(guān)損耗。軟開關(guān)技術(shù)需要更復(fù)雜的控制電路，因?yàn)楦鞣N波形需要精確地協(xié)調(diào)。對于該模型，除了變量Vgs，Vds和Id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)換器在晶體管上施加更大的壓力，而半橋轉(zhuǎn)換器，尤其是全橋轉(zhuǎn)換器則適合于更高的功率。這些轉(zhuǎn)換器稱為“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的原理圖所示。采用這種技術(shù)有其優(yōu)缺點(diǎn)。如前所述，優(yōu)點(diǎn) 通過減少損耗和減少高頻噪聲來代表。另一方面，電子部件的數(shù)量增加，并且電路變得更加復(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)，可以避免晶體管開關(guān)期間波形的重疊。由于切換期間的耗散功率極小，因此電磁干擾也非常低。

圖5顯示了應(yīng)用于先前電路相同臨界點(diǎn)的波形圖。上圖顯示了代表漏極電壓的藍(lán)色曲線和代表漏極電流的紅色曲線。這次重疊最小，并且功耗（如上圖所示）以綠色表示的更低，綠色表示Mosfet的功耗。

Mosfet受到10 V方波的影響圖5：軟開關(guān)電路中Mosfet的電壓，電流和功率的曲線圖

這種電路的效率很容易超過98％。

結(jié)論

與電源電路損耗有關(guān)的方面是一個極為廣泛的話題，現(xiàn)代技術(shù)正在引導(dǎo)著旨在改善這種情況的深入研究。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，它們更加復(fù)雜和昂貴。反應(yīng)性組分的尺寸也相當(dāng)復(fù)雜。漸進(jìn)式開關(guān)有助于降低噪聲和開關(guān)損耗，因?yàn)榫w管在零電壓或接近零電壓或電流時會導(dǎo)通和關(guān)斷。該技術(shù)目前主要用于電磁爐和微波爐。就安全操作區(qū)域而言，軟切換比硬切換具有更多優(yōu)勢。某些電路甚至由微控制器管理，該微控制器可以以極高的精度調(diào)節(jié)晶體管的開關(guān)時間。

編輯：hfy