硬开关转换的功率损失优化方法

硬开关是在电子开关器件上强制性地随机分/合电源，此时加于电子开关器件上的电压可能不为零导通，也可能电流不为零关断。早些年应用的AC/DC、DC/DC变换技术就是这种硬开关技术。图6-1所示是DC/DC半桥式变换脉宽调制主电路拓扑图，该变换电路属于硬开关PWM功率变换电路。晶体管VT₁、VT₂是半桥式变换电路的主开关。当两只晶体管导通时，流经晶体管漏—源极的电流由零逐渐上升，电压则逐步下降。在电流上升和电压下降的过程中有一个交点Q，称之为交叠点。Q点就是开关管导通时的功率损耗，称为导通损耗。同样，开关管关断时，电流下降和电压上升也有一个交点P，称为交叠点。P点就是开关管关断时的功率损耗，称为关断损耗。如果将电流波形与电压波形重叠，就有两个交点（Q和P两点）。由图6-2可知，除去其他条件，开关频率越高，开关管的导通损耗和关断损耗也越大。

图6-1 DC/DC半桥式变换脉宽调制主电路拓扑图

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图6-2 开关晶体管开关过程中的电流、电压波形

由于开关电源元器件、走线存在着大量的分布电容和分布电感，电路在电流或电压的作用下就会产生寄生振荡。若振荡电压超越了开关管关断时的运行区域，开关管将会受到损害，也使功率损耗大大增加。所以说，硬开关PWM功率变换器的功率损耗大。工作频率越高，功率损耗越大，变换电路的效率越低。随着工作频率的升高，电磁干扰也越加严重，电磁干扰对周围电子设备的影响愈加严重。功率开关管用MOSFET代替后，PWM变换电路的工作频率可以提高到300kHz，但是硬开关的损耗不随开关管型号改变而大幅减少。

提高开关频率是开关电源变换技术发展的目标之一。因为只有频率提高了，高频变压器、滤波电感器以及电容等元器件的体积、重量才能大大减小，单位体积输出的功率（功率密度）才能得到提高，对降低开关电源串音噪声和改善动态响应十分有利。重量轻、体积小的开关电源适用于电信通信设备、笔记本电脑、家用电器等各种电子设备。为了使开关电源在更高的频率下高效、低耗、安全地运行，人们研究出了“软开关”技术。所谓软开关就是零开关，指的是电压为零时开关管导通，电流为零时开关管关断。有了零开关，开关管的损耗为零，这样可以将开关频率提高到兆赫（MHz）级水平，开关电源的体积大为缩小。