高壓功率器件的開(kāi)關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)單的包括硬開(kāi)關(guān)技術(shù)和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)：

如圖所示，典型的硬開(kāi)關(guān)過(guò)程中，電壓和電流的變化雖然存在時(shí)間差，而且開(kāi)關(guān)過(guò)程無(wú)法做到絕對(duì)的零延遲開(kāi)關(guān)，此過(guò)程勢(shì)必導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗。

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

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

高壓功率器件常用的場(chǎng)合是用來(lái)控制傳輸送到電感負(fù)載的功率，如應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電力電機(jī)，高壓直流傳輸?shù)龋虼嗽趯?duì)器件進(jìn)行測(cè)試時(shí)往往是加入一個(gè)大電感作為負(fù)載。

硬開(kāi)啟

如圖，測(cè)試電路采用典型的電感負(fù)載測(cè)試電路，L在實(shí)際應(yīng)用中可為大的電感。

在硬開(kāi)啟過(guò)程中，IL基本不變，在DUT的關(guān)斷穩(wěn)態(tài)時(shí)，I L =I D1 ，V DUT ≈V IN ，DUT開(kāi)啟瞬間，I DUT =I L -I D1 ，V DUT ~ ≈ V IN ，隨著DUT的開(kāi)啟，IDUT逐漸增大，ID1~減小為負(fù)（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(kāi)啟后D1承受外界電壓。

此時(shí)V D1 =V IN ，I DUT =I L ，I D1 =0，VDUT遠(yuǎn)小于V IN ，DUT上的電壓只有正向?qū)妷骸?/p>

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

硬關(guān)斷

如圖，在DUT開(kāi)啟穩(wěn)態(tài)時(shí)，I L =I DUT ，V DUT ＜V IN ，I D1 =0。在DUT關(guān)斷瞬間，I L =I DUT ,VDUT增大直到超過(guò)V IN ，IDUT繼續(xù)減小，同時(shí)ID1增加，在這個(gè)過(guò)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(guò)程即為典型的硬關(guān)斷過(guò)程，由于電壓和電流擁有同時(shí)存在的區(qū)間，導(dǎo)致了相對(duì)大的關(guān)斷損耗Eoff，如圖中虛線(xiàn)所示區(qū)間。

軟開(kāi)關(guān)的基本思想

了解軟開(kāi)關(guān)的過(guò)程，首先應(yīng)該對(duì)LC振蕩電路有所熟悉：

如圖所示，電容能量E C =1/2CU ^2^ ,電感能量為E L =1/2LI ^2^ 。一旦開(kāi)關(guān)S閉合，電感和電容之間的能量就會(huì)相互轉(zhuǎn)移，同時(shí)滿(mǎn)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(gè)時(shí)間點(diǎn)，電容兩端電壓為0，能量全部?jī)?chǔ)存在電感中。存在另一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，電感兩端電流為0，能量全部?jī)?chǔ)存在電容中。

如圖，S代表功率器件，在零電壓開(kāi)啟過(guò)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(shí)，將功率器件S開(kāi)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(shí)，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(fù)載電感L的全部電流被Lr與Cr組成的振蕩電路吸收時(shí)，流過(guò)功率器件S的電流為0，此時(shí)將S關(guān)斷，同樣也可以達(dá)到減小關(guān)斷損耗的目的。

軟開(kāi)啟

如圖，為典型的軟開(kāi)啟電路，軟開(kāi)啟過(guò)程可分為幾個(gè)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(kāi)關(guān)S閉合，電流逐步轉(zhuǎn)移到Lr上。

在t1時(shí)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(jìn)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(shí)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(gè)平臺(tái)電流階段。

在t3時(shí)刻開(kāi)啟DUT，同時(shí)關(guān)閉開(kāi)關(guān)S，電流逐漸向DUT轉(zhuǎn)移，直到t4時(shí)刻電流全部轉(zhuǎn)移到DUT。

整個(gè)的軟開(kāi)啟過(guò)程中，可以通過(guò)控制DUT柵極電壓在t2時(shí)刻進(jìn)行開(kāi)啟，來(lái)達(dá)到DUT零電壓的開(kāi)啟，從而減小開(kāi)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(gè)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(guò)電感L和DUT，I L =I DUT 。

在t0時(shí)刻將開(kāi)關(guān)S閉合，S所在支路阻抗遠(yuǎn)小于DUT所在支路，Lr和Cr之間發(fā)生LC震蕩，ILr電流逐漸上升，IDUT電流逐漸下降。

在t1時(shí)刻，I DUT =0，控制DUT柵極電壓將DUT關(guān)斷，DUT關(guān)斷之后，VDUT電壓逐漸上升至V IN ，ILr電流呈正弦式下降，同時(shí)IL電流逐步轉(zhuǎn)向續(xù)流二極管D1。

整個(gè)的軟關(guān)斷過(guò)程中，可以通過(guò)控制DUT柵極電壓在t1時(shí)刻進(jìn)行開(kāi)啟，來(lái)達(dá)到DUT零電流的關(guān)斷，從而減小關(guān)斷損耗。

軟開(kāi)關(guān)與硬開(kāi)關(guān)器件功耗對(duì)比

如圖為采用零電壓開(kāi)啟和零電流關(guān)斷的功率器件與采用硬開(kāi)關(guān)方式的開(kāi)關(guān)損耗對(duì)比情況。軟開(kāi)啟能夠大幅降低功率器件的開(kāi)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(kāi)啟損耗。采用軟開(kāi)啟的總功耗為硬開(kāi)關(guān)的41 ~ 43%，采用軟關(guān)斷總功耗約為硬開(kāi)關(guān)的76 ~ 79%。

總結(jié)

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