开关损耗及软开关技术

减少开关损耗的措施和原理
1.采用MOS管或IGBT等低压损耗的器件。

这些器件的开关速度快，损耗小，有效的降低了开关损耗。

2.采用软开关技术。

软开关技术通过改变开关管的工作方式，使之在开关过程中保持输入电流或输出电流为零或接近于零，从而达到降低损耗的效果。

3.采用零电压开关技术。

这种技术利用并联的三极管管路控制开关管，在开关时将其导通，使电容器内的电能通过零电压点数控制器(即ZVS控制器)输出，使开关过程中的损耗降到最小。

4.采用瞬间非零电压开关技术。

这种技术通过对开关管进行合理的极间电压控制，使开通和断开瞬间各自的电压差均较小，从而大大降低了开关损耗。

5.采用逆变型桥式开关电源技术。

这种技术将输入的直流电压通过逆变变压器逆变成高频交流电压，再通过桥式开关电源将电压输出。

这种技术具有开关器件压降小，损耗更小的优点。

以上就是减少开关损耗的措施和原理。

浅论MOSFET的损耗及软开关dog72MOSFET等效模型损耗分析导通损耗主要是Rdson上的有效电流产生的损耗，无需多言。

主要分析的是MOS开通和关断造成的损耗。

驱动损耗驱动损耗是栅极对结电容Cgs+Cgd充放电所造成的能量损失，主要和驱动电压的平方成正比，与频率和电容量成正比。

漏极电荷损耗漏极电压存储在Cgd+Cds上的电荷，会在MOS开关时不断的充放电，造成能量损失。

这部分与驱动损耗类似，只是电压为漏极电压的平方。

开通损耗开通损耗主要是因为在开通的过程中漏极因结电容的影响电压不能突变。

这样，开通损耗=0Ton ds d V I ⋅⎰。

假如电路为漏极接电感的Boost 拓扑，考虑最坏情况此处损耗功率为输出电压与电感最大电流的乘积的二分之一。

由于，开通损耗是存在于每个周期的，所以随着开关频率的提高，开通损耗线性增长。

关断损耗关断损耗产生的原因，主要是功率电感上电流不能突变，因而当MOS 关断时造成漏极电压突变（考虑漏极结电容的影响，电压并不会突变，但在大电流模式下因结电容很小所以可以近似为突变）。

与开通损耗类似的，最坏情况损耗功率为输出电压与电感最大电流的乘积的二分之一。

开关损耗开通损耗与关断损耗的和为MOS 的开关损耗，从0Ton ds d V I ⋅⎰可以得出三种方法可以降低开关损耗：1、 提高开关速度2、 开关动作时，使得漏极电压为零（或很低）3、 开关动作时，使得漏极电流为零（或很低） MOSFET 误导通和击穿MOS 的误导通和击穿会造成很大的损耗甚至损坏电路，所以有必要讨论一下。

根据MOS 等效模型，MOS 在关断的情况下有两种可能被强制开通：1、 当漏极出现很强的电压变化率时（即dv/dt 很大），等效网络“Rds-Cgd-Rg-Cgs-驱动内阻”内会产生很高的电流，如果Rg+驱动内阻足够大，则很有可能导致Cgs 上的电压瞬间超过开通门限，导致MOS 误导通2、 与上同样的dv/dt ，会在等效网络“Rds-Cds-Rb ”内产生很高的电流，如果这个电流在Rb 上的电压超过寄生BJT 的导通电压，则会导致BJT 导通形成击穿。

什么是软开关?软开关的分类凡用控制的方法使电子开关在其两端的电压为零时导通电流,或使流过电子开关的电流为零时关断,则此开关称为软开关。

它能克服传统的硬开关的开关损耗,理想的软开关的开关损耗为零,从而可提高功率变换器的传输效率。

一、软开关概述硬开关是在控制电路的开通和关断过程中，电压和电流的变化剧烈，产生较大的开关损耗和噪声，开关损耗随着开关频率的提高而增加，使电路效率下降；开关噪声给电路带来严重的电磁干扰，影响周边电子设备的工作。

软开关是在硬开关电路的根底上，增加了小电感、电容等谐振器件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，开关在其两端的电压为零时导通；或使流过开关的电流为零时关断，使开关条件得以改善，降低传统硬开关的开关损耗和开关噪声，从而提高了电路的效率。

软开关包括软开通和软关断。

理想的软开通过程是：电压先下降到零后，电流再缓慢上升到通态值，所以开通时不会产生损耗和噪声，软开通的开关称之为零电压开关。

理想的软关断过程是：电流先下降到零后，电压再缓慢上升软开关技术大体上分为零电压开关和零电流开关，到通态值，所以关断时不会产生损耗和噪声，软关断的开关称之为零电流开关。

二、软开关的分类根据开关元件开通和关断时电压电流状态，可分为零电压电路和零电流电路两大类。

根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。

1.零电压开关①零电压开通：开关开通前其两端电压为零开通时不会产生损耗和噪声。

②零电压关断：与开关并联的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低关断损耗。

2.零电流开关①零电流关断：开关关断前其电流为零关断时不会产生损耗和噪声。

②零电流开通：与开关串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速率，降低了开通损耗。

3.准谐振电路准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此称之为准谐振。

是最早出现的软开关电路。

其电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率的交换，电路导通损耗加大；谐振周期随输入电压、负载变化而改变，因此电路只能采用脉冲频率调制方式来控制。

硬开关：1.开关损耗大。

开通时，开关器件的电流上升和电压下降同时进行；关断时，电压上升和电流下降同时进行。

电压、电流波形的交叠产生了开关损耗，该损耗随开关频率的提高而急速增加。

2.感性关断电尖峰大。

当器件关断时，电路的感性元件感应出尖峰电压，开关频率愈高，关断愈快，该感应电压愈高。

此电压加在开关器件两端，易造成器件击穿。

3.容性开通电流尖峰大。

当开关器件在很高的电压下开通时，储存在开关器件结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。

频率愈高，开通电流尖峰愈大，从而引起器件过热损坏。

另外，二极管由导通变为截止时存在反向恢复期，开关管在此期间内的开通动作，易产生很大的冲击电流。

频率愈高，该冲击电流愈大，对器件的安全运行造成危害。

4.电磁干扰严重。

随着频率提高，电路中的di/dt和dv/dt增大，从而导致电磁干扰（EMI）增大，影响整流器和周围电子设备的工作。

软开关：上述问题严重阻碍了开关器件工作频率的提高。

近年来开展的软开关技术研究为克服上述缺陷提供了一条有效的途径。

和硬开关工作不同，理想的软关断过程是电流先降到零，电压在缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。

由于器件关断前电流已下降到零，解决了感性关断问题。

理想的软开通过程是电压先降到零，电流在缓慢上升到通态值，所以开通损耗近似为零，器件结电容的电压亦为零，解决了容性开通问题。

同时，开通时，二极管反向恢复过程已经结束，因此二极管方向恢复问题不存在。

硬开关是指在固有的周期下进行开关，而软开关则不同，是利用了振荡作用，在电压和电流为零时使开关管打开和关闭，这样大大减少了在开关管上的损耗，提高了效率。

无刷直流电机逆变器的软开关技术无刷直流电机逆变器是一种将直流电能转换成交流电能并驱动无刷直流电机的电子设备。

在无刷直流电机逆变器中，软开关技术在提高电机效率、减少电机噪音、降低电机振动等方面起着重要的作用。

本文将介绍无刷直流电机逆变器软开关技术的原理、分类、现有研究进展，并分析其优缺点。

无刷直流电机逆变器的原理是将直流电能通过逆变器转换成交流电能，然后通过交流电能驱动无刷直流电机运转。

在逆变器中，开关管承担着很重要的作用，其具体工作模式在很大程度上决定了逆变器的性能。

传统的硬开关技术在开关管关断时会产生较大的开关损耗和电磁干扰，不利于逆变器的安全和稳定运行。

而软开关技术可以在开关管关断时通过一系列控制策略提高开关管的效率和工作稳定性，减小开关损耗和电磁干扰。

根据开关管的工作原理和逆变器的拓扑结构，可以将软开关技术分为多种类型。

常见的软开关技术包括零电压切换（ZVS）技术、零电流切换（ZCS）技术、有限电压切换（FZVS）技术等。

其中，ZVS技术是指在开关管关断时通过调节电压或电流使其达到零值的技术，可以减小开关管关断时的开关损耗，提高逆变器的效率。

ZCS技术是指在开关管关断时通过调节电流使其达到零值的技术，可以减小开关管关断时的电流压力，降低电磁干扰。

FZVS技术是指在开关管关断时通过控制电压保持在一定范围内的技术，可以降低开关管关断时的电压应力，延长其使用寿命。

当前，软开关技术在无刷直流电机逆变器中得到了广泛的应用和研究。

根据控制策略的不同，可以将软开关技术进一步分类为PWM控制技术、谐振控制技术、混合控制技术等。

PWM控制技术是指通过调节开关管的通断时间比例来控制输出电压或电流的技术，可以实现电机的高效驱动和精确控制。

谐振控制技术是指通过共振电路和谐振元件来控制开关管的开关瞬间，减小开关损耗和电磁干扰。

混合控制技术是指将PWM控制技术和谐振控制技术相结合的技术，可以实现更高的性能和更低的成本。

收稿日期:2005-10-13作者简介:孟 君(1968-),男,内蒙古商都人,1993年毕业于阜新矿业学院自动化专业,学士,工程师,现神华东胜煤炭运销分公司补连塔站站长。

一种减小开关损耗的软开关技术孟 君(神东煤炭运销分公司,内蒙古伊旗 017209)摘 要:通过采用隔直电容和饱和电抗器的方法,使电源超前臂处于零电压开关状态,滞后臂处于零电流开关状态,克服了常规相移脉宽调制控制开关电源滞后桥臂零电压开关范围窄的缺点。

关键词:软开关;损耗;技术中图分类号:TM 564.8 文献标识码:B 文章编号:1671-749X(2005)04-0040-020 引言开关电源具有功率转换效率高、稳压范围宽、功率体积比高、重量轻等特点。

为了使开关电源的变压器、电抗器等磁性元件和平滑波形的电容器小型化,并且进一步提高电源系统的动态响应性能,需提高开关频率。

然而,对脉宽调制(P WM )硬性开关电源而言,开关频率提高后,开关损耗随着频率增加成正比增加,此外,电路中分布电感和分布电容或二级管中存储电荷产生的浪涌或噪音不仅会产生电磁干扰和射频干扰,而且也降低电源装置本身的可靠性。

本文讨论一种新型的相移P WM 控制电路,通过增加隔直电容和饱和电抗器等办法,无需采用辅助开关,使得超前桥臂处于零电压开关状态,滞后桥臂处于零电流开通和关断状态,进一步拓宽功率器件的软开关工作范围.考虑到现有磁性材料性能,为了避免过高频率造成过大铜损和铁损,仍取开关频率为20k H z 。

1 软开关变换电路的原理及电路实现1.1 软开关变换电路原理本文研制零电压零电流相移P WM 电路如图1所示,与相移P WM 电路不同之处在于多加隔直电容C 和饱和电感Ls 。

饱和电感Ls 相当于一个开关,有电流时饱和电感Ls 饱和,相当于短路,无电流时感抗很大,相当于开路。

图1 零电压电流P WM 主电路图超前管VT1,VT3零电压开通条件与常规相移P WM 一样,但利用电容C 在环流期间,加快环流衰减,使得滞后管实现零电流关断,并利用饱和电抗器Ls 阻止L ,C 振荡电流反向(反向电流伏秒积不足以使饱和电抗器Ls 饱和,其电抗值为无穷大),在滞后管开通时,由于饱和电抗器Ls 处于不饱和状态,电抗值很大,电流上升率慢,电压下降快,为零电流开通。

开关电源损耗计算方法开关电源是现代电子设备中常见的一种电源转换装置，其工作原理主要是通过控制开关的通断来调节输出电压。

然而，在开关电源的工作过程中，不可避免地会产生一定的损耗，这些损耗会影响电源的效率和稳定性。

因此，如何计算和降低开关电源的损耗，成为电源设计中的重要问题。

本文将详细探讨开关电源损耗的计算方法。

一、开关电源的基本结构与工作原理开关电源主要包括输入整流滤波电路、功率开关管、变压器、输出整流滤波电路等部分。

工作时，通过控制功率开关管的通断，使得变压器初级线圈上的电流发生变化，进而改变次级线圈上的感应电动势，从而实现电压的变换。

在这个过程中，功率开关管、变压器以及其他元器件都会产生损耗。

二、开关电源的主要损耗类型1. 开关损耗：这是由于功率开关管在导通和截止过程中产生的损耗，主要包括开通损耗和关断损耗。

2. 导通损耗：当功率开关管处于导通状态时，其内部电阻会消耗一部分能量，形成导通损耗。

3. 变压器损耗：包括磁滞损耗、涡流损耗和铜损。

磁滞损耗是由磁性材料的磁滞特性引起的；涡流损耗是由于交变磁场在导体中产生的涡流所消耗的能量；铜损是由于电流通过变压器绕组产生的热量。

4. 整流损耗：这是由整流二极管在反向恢复期间产生的损耗。

5. 其他损耗：如驱动电路的损耗、电容的ESR损耗等。

三、开关电源损耗的计算方法1. 开关损耗的计算：开关损耗主要取决于开关频率、开关速度和电压、电流的变化率。

通常采用SPICE仿真软件进行计算。

2. 导通损耗的计算：导通损耗等于导通电流与导通电阻的乘积。

3. 变压器损耗的计算：磁滞损耗和涡流损耗可以使用B-H曲线和E-J曲线进行计算，铜损则等于电流的平方与电阻的乘积。

4. 整流损耗的计算：整流损耗等于二极管的正向压降与电流的乘积。

5. 其他损耗的计算：需要根据具体的电路参数进行计算。

四、降低开关电源损耗的方法1. 选择低导通电阻的开关管，以降低导通损耗。

2. 提高开关频率，减小变压器的体积和重量，但可能会增加开关损耗。

软开关技术综述开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开元件的占空比来调整输出电压。

开关电源的构成框图如图1所示，它由输入电路、变换电路、输出电路和控制电路等组成。

功率变换是其核心部分，主要由开关电路和变压器组成。

为了满足高功率密度的要求，变换器需要工作在高频状态，开关晶体管要采用开关速度高、导通和关断时间短的晶体臂，最典型的功率开关晶体管有功率晶体管（CTR）、功率场效应管（MOSFET）和绝缘型双极型晶体管（IGBT）等3种。

控制方式分为脉宽调制、脉频调制、脉宽和频率混合调制等3种，其中最常用的是脉宽调制（PWM）方式。

从60年代开始得到发展和应用的DC－DC PWM功率变换技术是一种硬开关技术。

为了使开关电源在高频状态下也能高效率地运行，国内外电力电子界和电源技术界自70年代以来，不断研究开发高频软开关技术。

软开关和硬开关波形比较如图2所示。

从图可以看出，软开关的特点是功率器件在零电压条件下导通（或关断），在零电流条件下关断（或导通）。

与硬开关相比，软开关的功率器件在零电压、零电流条件下工作，功率器件开关损耗小。

与此同时，du/dt和di/dt大为下降，所以它能消除相应的电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI），提高了变换器的可靠性。

同时，为了减小变换器的体积和重量，必须实现高频化。

要提高开关频率，同时提高变换器的变换效率，就必须减小开关损耗。

减小开关损耗的途径就是实现开关管的软开关，因此软开关技术软开关技术已经成为是开关变换技术的一个重要的研究方向。

本文对软开关和硬开关的工作特性进行比较，并对软开关技术进行了详细阐述。

2 硬开关的工作特性是开关管开关时的电压和电流波形。

开关管不是理想器件，因此在开关管开关工作时，要产生开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗（Switching Loss）。

开关频率越高，总的开关损耗越大，变换器的效率就越低。

开关损耗的存在限制了变换器开关频率的提高，从而限制了变换器的小型化和轻量化。

电机控制软开关技术要求
电机控制软开关技术是一种用于控制电机的技术，其主要目的是实现电机的高效、可靠和精确控制。

以下是一些常见的电机控制软开关技术要求：
1. 效率和能耗：软开关技术应能够提高电机的效率，降低能耗。

通过优化开关动作，可以减少开关损耗，提高能量转换效率。

2. 噪声和振动：软开关技术应能够减少电机运行过程中的噪声和振动。

通过平滑的开关动作，可以降低电磁干扰和机械振动，提高电机的运行平稳性。

3. 可靠性和寿命：软开关技术应具有高可靠性和长寿命。

它应该能够承受电机运行过程中的电应力、热应力和机械应力，并具有良好的耐久性。

4. 控制精度和响应速度：软开关技术应能够提供高精度的电机控制，确保电机的转速、转矩和位置等参数能够准确地控制和调节。

同时，响应速度也是一个重要的要求，能够快速响应控制信号。

5. 兼容性和可扩展性：软开关技术应与现有的电机控制系统和硬件兼容，并具有一定的可扩展性，以便适应不同类型和规格的电机。

6. 保护功能：软开关技术应具备适当的保护功能，如过流保护、短路保护、过热保护等，以确保电机和控制系统的安全运行。

7. 调试和监测：软开关技术应提供方便的调试和监测手段，以便对电机的运行状态进行实时监测和故障诊断。

这些要求是电机控制软开关技术的一般准则，具体的技术要求可能会根据应用场景和特定需求而有所不同。

在选择和应用电机控制软开关技术时，应根据实际情况进行评估和选择，以满足特定的控制要求。

请注意，这只是一些常见的要求，具体的电机控制软开关技术可能会有其他特定的要求。

第六讲：开关电源新技术这里所说的新技术，是指最近20年内发展起来的技术内容，涉及开关电源的效率、动态响应、功率因数等概念。

1．1、软开关技术开关管的损耗一直是开关变换器设计中的一个核心问题。

要减小开关电源的体积，降低输出电压纹波，提高开关频率是最直接有效的方法，但开关管的损耗正是限制开关频率提高的最大原因，开关管在导通或关断状态下的损耗（称为通态损耗和断态损耗）是比较小的，但在导通和关断动作过程中的损耗（称为导通损耗和关断损耗，即开关损耗）非常大，因为在这时开关管要同时承受高电压和大电流。

开关频率越高，开关损耗就越严重。

要降低开关损耗就必须从控制开关管的开关过程着手，使开关管上不能同时出现高电压和大电流。

传统的缓冲器（Snubber）电路（常用的电路，主要是保证开关管安全工作），能减小一些开关损耗，但程度非常有限而且又引入了缓冲电路的损耗。

给出一个典型的缓冲电路的形式（图3），图中虚线框内部分为缓冲器电路。

谐振（Resonant）的方法是能够大幅度降低开关损耗的方法。

谐振概念的产生比较早，广泛用于机械工业的中频感应加热炉其实就是一个利用负载产生谐振的例子。

但谐振的方法用于直流变换器则是在上世纪80年代才有较大的发展，首先建立起了零电压开关ZVS （Zero Voltage Switch）和零电流开关ZCS（Zero Current Switch）的概念，其基本思路是使开关管的电压或电流与外部谐振回路产生谐振，从而使开关管可以在零电压状态导通或是在零电流状态下关断。

这种方法的困难在于保证开关管的零压或零流条件（不同输电压和不同负载条件入），为解决这一问题发展了准谐振变换器QRC（Quasi Resonant Converter）的技术，也有ZVS-QRC和ZCS-QRC两类。

谐振方式的变换器最突出的优点就是极大地降低了开关损耗，使变换器的工作频率提高到了MHz量级的水平，适合在一些对体积和重量要求极为严格的场合（比如飞行器）中使用。