开关损耗

开通损耗和关断损耗的简称

开关损耗包括开通损耗和关断损耗两种。开通损耗是指功率管从截止到导通时所产生的功率损耗；关断损耗是指功率管从导通到截止时所产生的功率损耗。

简介

开关损耗（Switching-Loss）包括开通损耗（Turn-on Loss）和关断损耗(Turn-of Loss)，常常在硬开关（Hard-Switching）和软开关（Soft-Switching）中讨论。

所谓开通损耗（Turn-on Loss），是指非理想的开关管在开通时，开关管的电压不是立即下降到零，而是有一个下降时间，同时它的电流也不是立即上升到负载电流，也有一个上升时间。在这段时间内，开关管的电流和电压有一个交叠区，会产生损耗，这个损耗即为开通损耗。

以此类比，可以得出关断损耗产生的原因，这里不再赘述。

开关损耗另一个意思是指在开关电源中，对大的MOS管进行开关操作时，需要对寄生电容充放电，这样也会引起损耗。

成因

开关管工作状态有两种:断开状态和导通状态。断开状态时, 流过开关的电流为0, 虽然开关两端电压不为0,但P =UI =0,所以不消耗功率。导通状态时, 开关上流过电流, 但开关两端电压为0, 同样P =UI =0。实际上开关器件开关时总有一个过渡状态,会导致开关损耗。而且开关损耗与开关频率成正比。

开关损耗包括导通损耗和截止损耗。导通损耗产生的原因:导通瞬间开关器件电压的不能马上降为0, 而电流从0已上升,因此在开关管上产生电压电流交替现象,而产生损耗电压不能马上降为0的原因是开关器件上有寄生电容,电容上电压不能突变,即不能马上降为0, 从而产生功率损耗。在导通过程中,寄生电容的储能通过开关器件放掉而损失。截止损耗产生的原因:截止瞬间开关器件电流不能马上降为0, 而电压已经从0上升, 在开关器件上产生电压电流交替现象。电流不能马上为0的原因是, 与开关器件连接的电路中有寄生电感, 阻碍电流变化。并且逆变电路中变压器是电感元件, 当开关突然关断时, 变压器电感元件电流不能突变,并会产生很大的反激电压, 阻碍电流变化, 通过电路加在开关管上, 产生比较大的损耗。提高开关速度不但不能消除损耗, 反而会使反激电压越大,损耗更大。

一般情况下, 截止损耗比导通损耗大很多。因为导通变截止时,功率管大电流突然降为0时,产生较大的反激电压,从而使开关管功率损耗比较大。减少开关损耗, 关键是减少截止损耗。

减耗方法

减小开关损耗一方面要尽可能地制造出具有理想开关特性的器件,另一方面利用新的线路技术改变器件开关时期的波形,如:晶体管缓冲电路,谐振电路,和软开关技术等。

(1)晶体管缓冲电路(即加吸收网络技术)

早期电源多采用此线路技术。采用此电路, 功率损耗虽有所减小,但仍不是很理想。①减少导通损耗在变压器次级线圈后面加饱和电感, 加反向恢复时间快的二极管,利用饱和电感阻碍电流变化的特性, 限制电流上升的速率,使电流与电压的波形尽可能小地重叠。②减少截止损耗加R 、C 吸收网络, 推迟变压器反激电压发生时间, 最好在电流为0时产生反激电压,此时功率损耗为0。该电路利用电容上电压不能突变的特性,推迟反激电压发生时间。为了增加可靠性,也可在功率管上加R 、C 。但是此电路有明显缺点:因为电阻的存在,导致吸收网络有损耗。

(2)谐振电路

该电路只改变开关瞬间电流波形,不改变导通时电流波形。只要选择好合适的L 、C ,结合二极管结电容和变压器漏感, 就能保证电压为0时,开关管导通或截止。因此, 采用谐振技术可使开关损耗很小。所以, SWITCHTEC 电源开关频率可以做到术结构380kHz的高频率。

(3)软开关技术

该电路是在全桥逆变电路中加入电容和二极管。二极管在开关管导通时起钳位作用, 并构成泻放回路, 泻放电流。电容在反激电压作用下, 电容被充电, 电压不能突然增加, 当电压比较大的时侯, 电流已经为0。

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