[Fundamental of Power Electronics]-PART I-4.开关实现-0 序

Posted 2020-12-08 swear

4 开关实现

在前面的章节中我们已经看到，可以使用晶体管，二极管来作为Buck,Boost和其他一些DC-DC变换器的开关元件。也许有人会想为什么会这样，以及通常如何实现半导体的开关。这些都是值得被提出的问题，开关的实现可能取决于所执行电源处理的功能。逆变器与Cycloconverter相比这些DC-DC变换器的开关需要更为复杂的实现。同样，实现半导体开关的方式可以通过上一章的理想开关分析所无法预测的方式来改变变换器的性能，例如下一章将会介绍不连续导电模式。本章的主题是使用晶体管和二极管实现开关。

半导体功率器件表现为单刀单掷（SPST）开关，理想情况下如图4.1所示。因此，尽管我们经常如图4.2所示使用理想的单刀双掷（SPDT）开关绘制变换器原理图，但图4.2中包含SPST开关的原理图更为现实。使用两个SPST开关实现SPDT开关并不像乍看起来那样简单，因为图4.2中两个电路并不完全等效。两个SPST开关可能同时处于导通状态或断开状态，从而导致图4.2中使用的SPDT开关无法预测行为。此外，开关状态有可能取决于施加的电压或电流波形---一个常见的例子是二极管。实际上，这些现象常见于在轻载或偶尔在重载下运行的变换器中，从而导致前述的不连续导电模式。然后将明显改变变换器的属性。

Fig 4.1 SPST switch, with voltage and current polarities

Fig 4.2 Buck converter with SPDT and SPST

使用半导体器件如何实现理想的开关取决于器件在截止状态下必须阻断的电压极性以及器件在导通状态下必须导通的电流极性。例如，在图4.2下方的的DC-D降压变换器中，开关A在截止状态下必须阻断正向电压(V_{g})，而在导通状态下则必须传导正向电流(i_{L})。如果对于所有预期的变换器工作点，电流和阻断电压位于如图4.3所示的平面的单个象限中，则可以使用晶体管或二极管以简单的方式实现开关。单象限开关在DC-DC转换器中很常见。在此简要讨论其操作。

Fig 4.3 A single-quadrant switch example

在逆变器电路中，需要两象限开关。输出电流是交流电，因此有时为正，有时为负。如果该交流电流流过开关，则其电流为交流电，半导体开关的实现更加复杂。可以使用晶体管和二极管来实现两象限SPST开关。有时还会出现双重情况，其中开关电流始终为正，但阻断电压为交流的。可以使用晶体管和二极管的不同布置来构造这种类型的双象限开关。Cycloconverter通常需要四象限开关，这些开关能够阻断交流电压并传导交流电流。这些元素的实现也在本章中讨论。接下来，检查同步整流器。金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的反向导电能力使其可以用于通常需要二极管的地方。如果MOSFET的导通电阻足够小，则其导通损耗将小于使用二极管产生的导通损耗。有时在低压大电流应用中使用同步整流器，以提高效率。本章末尾列出了一些有关单象限，二象限和四象限开关的基本参考文献[1-8]。

在第4.2节中简要讨论了几种功率半导体器件。包括MOSFET和肖特基二极管在内的多数载流子器件具有非常快的开关时间，因此在截止电压电平不太高时是首选。少数载流子器件，包括双极结型晶体管（BJT），绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和门极关断晶闸管（GTO）和MOS控制晶闸管（MCT）具有高击穿电压和低正向电压降低开关速度。

在已经使用半导体器件实现了开关之后，接下来可以讨论开关损耗。有许多机制会导致能量在切换转换过程中损失[11]。当晶体管驱动钳位感性负载时，其在开关转换期间会经历高瞬时功率损耗。在晶体管导通过渡期间，二极管存储的电荷会进一步增加此损耗。开关过程中会损失存储在某些寄生电容和电感中的能量。在开关周期结束之前衰减的寄生振铃也表明存在开关损耗。开关损耗随开关频率而直接增加，并且对实际转换器的工作频率施加最大限制。