高壓功率器件的開關(guān)技術(shù)

高壓功率器件的開關(guān)技術(shù)簡單的包括硬開關(guān)技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)：

如圖所示，典型的硬開關(guān)過程中，電壓和電流的變化雖然存在時間差，而且開關(guān)過程無法做到絕對的零延遲開關(guān)，此過程勢必導(dǎo)致開關(guān)損耗。

所謂的軟開關(guān)包括零電壓開啟（Zero voltage switching）即在器件處于關(guān)斷狀態(tài)時，通過額外的LC振蕩電路支路，轉(zhuǎn)移器件上的電壓，以實現(xiàn)零電壓開啟。

另一種為零電流關(guān)斷（Zero current switching）即在器件處于開啟狀態(tài)時，通過額外的LC振蕩電路支路，轉(zhuǎn)移器件上的電流，以實現(xiàn)零電流關(guān)斷。

高壓功率器件常用的場合是用來控制傳輸送到電感負載的功率，如應(yīng)用于電機驅(qū)動，電力電機，高壓直流傳輸?shù)龋虼嗽趯ζ骷M行測試時往往是加入一個大電感作為負載。

硬開啟

如圖，測試電路采用典型的電感負載測試電路，L在實際應(yīng)用中可為大的電感。

在硬開啟過程中，I_L基本不變，在DUT的關(guān)斷穩(wěn)態(tài)時，I_L=I_D1，V_DUT≈V_IN，DUT開啟瞬間，I_DUT=I_L-I_D1，V_DUT ≈ V_IN，隨著DUT的開啟，I_DUT逐漸增大，I_D1減小為負（反向恢復(fù)），直到D1反偏之前，I_DUT=I_L+I_D1，V_DUT≈V_IN,當(dāng)DUT完全開啟后D1承受外界電壓。

此時V_D1=V_IN，I_DUT=I_L，I_D1=0，V_DUT遠小于V_IN，DUT上的電壓只有正向?qū)妷骸?/span>

此過程即為典型的硬開啟過程，由于電壓和電流擁有同時存在的區(qū)間，導(dǎo)致了相對大的開啟損耗Eon，如圖中虛線所示區(qū)間。

硬關(guān)斷

如圖，在DUT開啟穩(wěn)態(tài)時，I_L=I_DUT，V_DUT＜V_IN，I_D1=0。在DUT關(guān)斷瞬間，I_L=I_DUT,V_DUT增大直到超過V_IN，I_DUT繼續(xù)減小，同時I_D1增加，在這個過程中，I_L=I_D1+I_DUT，V_DUT≈V_IN，最終I_L=I_D1，I_DUT=0，V_DUT≈V_IN。

此過程即為典型的硬關(guān)斷過程，由于電壓和電流擁有同時存在的區(qū)間，導(dǎo)致了相對大的關(guān)斷損耗Eoff，如圖中虛線所示區(qū)間。

軟開關(guān)的基本思想

了解軟開關(guān)的過程，首先應(yīng)該對LC振蕩電路有所熟悉：

如圖所示，電容能量E_C=1/2CU²,電感能量為E_L=1/2LI²。一旦開關(guān)S閉合，電感和電容之間的能量就會相互轉(zhuǎn)移，同時滿足：           

電壓和電流的變化屬于正余弦變化方式，其周期，存在某個時間點，電容兩端電壓為0，能量全部儲存在電感中。存在另一個時間點，電感兩端電流為0，能量全部儲存在電容中。

如圖，S代表功率器件，在零電壓開啟過程前，S處于關(guān)斷穩(wěn)態(tài)，Cr與Lr互相震蕩傳輸能量。

當(dāng)Cr上的電壓為0時，將功率器件S開啟。在零電流關(guān)斷前，S處于導(dǎo)通穩(wěn)態(tài)，Cr與Lr互相震蕩傳輸能量，當(dāng)Lr上的電流為0時，將功率器件S關(guān)斷。

零電流關(guān)斷的另一種基本方式為負載電感L的全部電流被Lr與Cr組成的振蕩電路吸收時，流過功率器件S的電流為0，此時將S關(guān)斷，同樣也可以達到減小關(guān)斷損耗的目的。

軟開啟

    如圖，為典型的軟開啟電路，軟開啟過程可分為幾個階段。

在t0之前，S和DUT都在關(guān)斷狀態(tài)，電流在電感L和二極管D1之間傳遞。

在t0-t1階段，開關(guān)S閉合，電流逐步轉(zhuǎn)移到Lr上。

在t1時刻，ILr=IL，ID1=0，電流全部轉(zhuǎn)移到Lr上。

在t1-t2階段，Cr與Lr之間進行LC震蕩，DUT兩端電壓等于Cr兩端電壓，隨著LC的震蕩，VDUT呈正弦式下降，ILr呈余弦式上升，在t2時刻VDUT降為0，ILr上升到最大值。

在t2-t3階段，由于存在鉗位二極管D3，VDUT兩端電壓鉗位在-0.7V，電感Lr電流也處于一個平臺電流階段。

在t3時刻開啟DUT，同時關(guān)閉開關(guān)S，電流逐漸向DUT轉(zhuǎn)移，直到t4時刻電流全部轉(zhuǎn)移到DUT。

整個的軟開啟過程中，可以通過控制DUT柵極電壓在t2時刻進行開啟，來達到DUT零電壓的開啟，從而減小開啟損耗。

軟關(guān)斷

如圖，為典型的軟關(guān)斷電路，軟關(guān)斷可以分為幾個階段。

在t0之前，S處于關(guān)斷狀態(tài)，DUT處于導(dǎo)通狀態(tài)，電流全部經(jīng)過電感L和DUT，I_L=I_DUT。

在t0時刻將開關(guān)S閉合，S所在支路阻抗遠小于DUT所在支路，Lr和Cr之間發(fā)生LC震蕩，I_Lr電流逐漸上升，I_DUT電流逐漸下降。

在t1時刻，I_DUT=0，控制DUT柵極電壓將DUT關(guān)斷，DUT關(guān)斷之后，V_DUT電壓逐漸上升至V_IN，I_Lr電流呈正弦式下降，同時I_L電流逐步轉(zhuǎn)向續(xù)流二極管D1。

整個的軟關(guān)斷過程中，可以通過控制DUT柵極電壓在t1時刻進行開啟，來達到DUT零電流的關(guān)斷，從而減小關(guān)斷損耗。

軟開關(guān)與硬開關(guān)器件功耗對比

如圖為采用零電壓開啟和零電流關(guān)斷的功率器件與采用硬開關(guān)方式的開關(guān)損耗對比情況。軟開啟能夠大幅降低功率器件的開啟損耗，少量降低關(guān)斷損耗。

軟關(guān)斷能夠大幅降低功率器件的關(guān)斷損耗，不能降低開啟損耗。采用軟開啟的總功耗為硬開關(guān)的41 ~ 43%，采用軟關(guān)斷總功耗約為硬開關(guān)的76 ~ 79%。

總結(jié)

本文簡單介紹了功率器件的硬開關(guān)和軟開關(guān)的基本原理。軟開關(guān)主要介紹了兩種基本類型零電壓開啟（Zero voltage switching）和零電流關(guān)斷（Zero current switching）。當(dāng)然軟開關(guān)技術(shù)還包括其他種類。此兩類開關(guān)方式的原理集中體現(xiàn)在通過LC振蕩電路的引入，實現(xiàn)在功率器件兩端達到零電壓或零電流的目的，從而減小開關(guān)損耗。