[Fundamental of Power Electronics]-PART I-4.開關實現-4.1 開關應用

4.1 開關應用

4.1.1 單象限開關

理想的SPST(Single pole single throw)開關如圖4.1所示。開關包含電源端子1和0，其電流和電壓極性如圖所示。在接通狀態下，電壓\(v\)為零，而在斷開狀態下電流\(i\)為零。有時在第三端子\(C\)處施加控制信號。 SPST開關的顯着特征包括控制方法（有源與無源）以及它們可以在其工作的\(i-v\)平面區域。無源開關不包含控制端子\(C\)。開關的狀態由施加到端子0和1的波形\(i(t)\)和\(v(t)\)決定。最常見的例子是如圖4.4所示的二極管。理想二極管需要\(v(t) \leq0\) 以及\(i(t) \geq 0\)。當\(v<0\)時，二極管關斷，\(i=0\)；當\(v=0\)時，二極管導通，\(i>0\)。它可以阻止負電壓但不能阻止正電壓。可以使用二極管來實現無源SPST的開關，其條件是預期的工作點（當開關處於導通和關斷狀態時的\(v(t)\)和\(i(t)\)）位於圖4.4所示的二極管工作特性上。

Fig 4.1 SPST switch, with voltage and current polarities

Fig 4.4 Diode symbol (a), and its ideal characteristic

有源開關的導通狀態取決於施加到控制端子\(C\)的信號。狀態不直接取決於施加到端子0和1的波形\(v(t)\)和\(i(t)\)。BJT，MOSFET，IGBT，GTO和MCT都是有源開關的示例。BJT和IGBT的理想特性\(i(t)\)vs.\(v(t)\)如圖4.5所示。當控制端子使晶體管處於截止狀態時，\(i=0\)，並且該器件能夠阻斷正向電壓：\(v\geq0\)。當控制端子使晶體管處於導通狀態，並且該器件能夠傳導正電流：\(i\geq0\)。BJT和IGBT的反向導通和反向導通特性很差或不存在，並且在功率轉換器領域基本上沒有應用。功率MOSFET（圖4.6）具有相似的特性，但它能夠反向傳導電流。除一個值得注意的例子（稍后討論的同步整流器）外，MOSFET通常以與BJT和IGBT相同的方式工作。因此，只要目標工作點位於圖4.5的晶體管特性上，就可以使用BJT，IGBT或MOSFET來實現有源SPST開關。

Fig 4.5 Bipolar junction transistor and insulated gate bipolar transistor symbols

Fig 4.6 Power MOSFET symbol

為了確定如何使用晶體管或二極管實現SPST開關，需要將開關的工作點與圖4.4,4.5以及4.6的\(i–v\)特性進行比較。 例如，當打算將圖4.2中的SPDT開關置於位置1時，SPST開關A閉合，而SPST開關B斷開。然后，開關A傳導正電感電流\(i_{A}=i_{L}\)，而開關B必須阻斷負電壓\(v_{B}=-V_{g}\)。這些開關的工作點如圖4.7所示。同樣，當打算將圖4.2的SPDT開關置於位置2時，則SPST開關A斷開，而開關B閉合。然后，開關B傳導正電感電流\(i_{B}=i_{L}\)，而開關A阻止正電壓\(v_{A}=V_{g}\)。

Fig 4.2 Buck converter with SPDT and SPST

Fig 4.7 Operating points of switch A and switch B in the Buck converter of Fig 4.2

通過將圖4.7的開關A的工作點與圖4和5進行比較。從圖4.5和4.6可以看出，因為開關A必須阻斷正電壓並傳導正電流,可以使用晶體管（BJT，IGBT或MOSFET）。同樣，圖4.7與圖4.4的比較表明，因為開關B必須阻斷負電壓並傳導正電流,開關B可以使用二極管實現。因此，圖4.8給出了有效的開關實現。

Fig 4.8 Implementation of the SPST switches of Fig 4.2 using a transistor and diode

圖4.8是單象限開關實現的示例：這些器件只能傳導一種極性的電流，並且只能阻斷一種極性的電壓。當控制器將晶體管導通時，二極管將變為反向偏置，因為\(v_{B} = -V_{g}\)。要求\(V_{g}\)是正的；否則，二極管將被正向偏置。晶體管傳導電流\(i_{L}\)，該電流也應為正，以便晶體管正向導電。

當控制器關斷晶體管時，二極管必須導通，以便電感電流可以繼續流動。關斷晶體管會導致電感器電流\(i_{L}\)減小。由於電感器電壓\(v_{L}(t) = L di_{L}(t)/dt\)變為足以使二極管正向偏置的負電壓，因此二極管導通。以這種方式工作的二極管有時稱為續流二極管。要求\(i_{L}\)是正向的；否則，由於\(i_{B} = i_{L}\)二極管不能正向偏置。晶體管阻斷電壓\(V_{g}\)，該電壓應為正，以避免在反向阻斷模式下開關該晶體管。

4.1.2 電流雙向二象限開關

在各種應用場合如DC-AC逆變器以及伺服放大器中，都要求開關元件能夠傳導兩種極性的電流，而只能阻斷正向電壓。這種電流雙向二象限SPST開關可以使用晶體管和二極管實現。如圖4.9所示，它們以反並聯形式連接。

Fig 4.9 A current-bidirectional two-quadrant SPST switch

圖4.6的MOSFET也是一個二象限開關。但是，應注意的是，實際的功率MOSFET本質上包含一個內置二極管，通常稱為體二極管，如圖4.10所示。體二極管的開關速度比MOSFET慢得多。如果允許體二極管導通，則在二極管關斷過渡期間可能會出現較高峰值電流。大多數MOSFET均無法承受這些電流，因此會發生器件故障。為了避免這種情況，可以如圖4.10所示添加外部串聯和反並聯二極管。功率MOSFET可以專門設計為具有快速恢復的體二極管，並在允許體二極管傳導MOSFET額定電流時可靠地工作。但是，這種體二極管的開關速度仍然有些慢，並且由於二極管存儲的電荷（在本章的后面討論）可能會導致明顯的開關損耗。

Fig 4.10 The power MOSFET inherently contains a built-in-body diode

如圖4.2所示，可以再次使用兩個SPST開關得出SPDT電流雙向二象限開關。圖4.11給出了一個例子。該變換器通過正負直流電源工作，並且可以產生具有任一極性的交流輸出電壓\(v(t)\)。晶體管\(Q_{2}\)與晶體管\(Q_{1}\)的開關驅動信號互補。所以當\(Q_{1}\)在第一個子區間\(0<t<DT_{s}\)中導通，\(Q_{2}\)在第二個子區間\(DT_{s}<t<T_{s}\)中導通。

Fig 4.11 Inverter circuit using two-quadrant switches

從圖4.11可以看出，開關必須阻斷電壓\(2V_{g}\)。要求\(V_{g}\)是正的；否則，二極管\(D_{1}\)和\(D_{2}\)將同時導通，從而使電源短路。

通過電感伏秒平衡可以看到：

\[v_{0} = (2D-1)V_{g} \tag{4.1} \]

該方程式如圖4.12所示。 \(D>0.5\)時，變換器輸出電壓為正； \(D <0.5\)時，變換器輸出電壓為負。通過占空比的正弦變化：

\[D(t) = 0.5+ D_{m} sin(\omega t) \tag{4.2} \]

其中\(D_{m}\)為小於0.5的常數，輸出電壓為正弦。因此這個變換器可以用來作為DC-AC逆變器。

Fig 4.12 Output voltage vs duty cycle of the inverter

負載電流為\(v_{0}/R\)。在平衡狀態下，這個電流與電感電流保持一致：

\[i_{L} = \frac{v_{0}}{R} = (2D-1) \frac{V_{g}}{R} \tag{4.3} \]

開關必須流過這個電流。因此，當\(D> 0.5\)時，開關電流也為正；當\(D <0.5\)時，開關電流為負。在高頻占空比變化的情況下，LC濾波器可能會在電感電流波形中引入相位滯后，但確實會存在兩種極性的開關電流。因此，開關必須在如圖4.13所示平面的兩個象限中工作。當\(i_L\)為正時，\(Q_1\)和\(D_2\)交替導通。當\(i_L\)為負時，\(Q_{2}\)和\(D_1\)交替導通。

Fig 4.13 The switches in the inverter of Fig 4.11 must capable of conducting both positive and negative current, but need only positive voltage

眾所周知的DC-3AC逆變器電路，即電壓源逆變器（VSI），就是以類似的方式工作。如圖4.14所示，VSI包含三個兩象限SPDT開關，每相一個。這些開關阻止直流輸入電壓\(V_{g}\)，並且分別輸出交流電流\(i_{a}\)，\(i_{b}\)和\(i_{c}\)。

Fig 4.14 The dc-3ac voltage-source inverter requires two-quadrant switches

電流雙向二象限開關的另一個示例是圖4.15中所示的雙向電池充電器/放電器。例如，該變換器可用於將電池連接到航天器的主電源總線。直流母線電壓\(v_{bus}\)和電池電壓\(v_{batt}\)始終為正。半導體開關元件在電池充電時會阻斷正電壓\(v_{bus}\)，$i_{L} \(為正，\)Q_{1}\(和\)D_{2}\(交替傳導電流。電池放電時，電流\)i_{L}\(為負，並且\)Q_{2}\(和\)D_{1}$ 交替導通。盡管這是一個DC-DC轉換器，但由於電流可以沿任一方向流動，因此它需要兩個象限開關。

Fig 4.15 Bidirectional battery charger/discharger ，based on the DC-DC Buck converter

4.1.3 電壓雙向二象限開關

有時需要另一種類型的二象限開關，它具有圖4.16所示的電壓雙向特性。在開關必須同時阻擋正電壓和負電壓而只能傳導正電流的應用中，可以使用串聯的晶體管和二極管來構建SPST開關，如圖4.17所示。當期望使開關處於截止狀態時，控制器將晶體管關斷。然后，二極管阻斷負電壓，而晶體管阻斷正電壓。串聯連接可阻斷負電壓至二極管額定電壓，正電壓至晶體管額定電壓。可控硅整流器是電壓雙向二象限開關的另一個示例。

Fig 4.16 Voltage bidirectional two-quadrant switch properties

Fig 4.17 A voltage-bidirectional two-quadrant SPST switch

需要這種雙象限開關的變換器是圖4.18 所示的dc-3ac降壓-升壓型逆變器。如果轉換器在逆變器模式下工作，從而電感電流始終為正，則所有開關僅傳導正電流。但是開關必須阻止輸出交流線電壓，該電壓有時為正，有時為負。因此，需要電壓雙向二象限開關。

Fig 4.18 DC-3AC buck-boost inverter

4.1.4 四象限開關

Fig 4.19 A four-quadrant switch properties

最普通的開關類型是四象限開關，它能夠傳導任一極性的電流和阻斷任一極性的電壓，如圖4.19所示。構造四象限開關的方法有幾種。如圖4.20第三個電路所示，可以將第4.1.2節中描述的兩個電流雙向雙象限開關背對背連接。晶體管同時被驅動導通和關斷。另一種方法是在4.1.3節中描述的兩個電壓雙向雙象限開關的反並聯連接，如圖4.20中第二個電路所示。圖4.20最后一個拓撲給出了第三種方法，該方法僅使用一個晶體管，但使用附加的二極管。

Fig 4.20 Three ways of implementating a four-quadrant SPST switch

循環變換器是一類需要四象限開關的轉換器。例如，圖4.21所示為3ac-3ac矩陣變換器。九個SPST開關中的每一個都使用圖4.20的拓撲之一實現。通過正確控制開關，此變換器可以從給定的三相交流輸入產生可變頻率和電壓的三相輸出。請注意，該變換器中沒有直流信號：所有輸入和輸出電壓和電流均為交流電，因此需要四象限開關。

Fig 4.21 A three 3ac-3ac matrix converter

4.1.5 同步整流器

MOSFET溝道反向傳導電流的能力使得可以在其他需要二極管的情況下使用MOSFET。當按圖4.22的方式連接MOSFET時[請注意，源極和漏極的連接與圖4.6的連接相反]，可獲得圖4.22中象限的特性。該器件現在可以阻斷負電壓並傳導正電流，其特性類似於圖4.4中的二極管。必須控制MOSFET，使其在二極管正常導通時工作在導通狀態，而在二極管反向偏置時工作在截止狀態。

Fig 4.22 Power MOSFET connected as a synchronous rectifier

因此，我們可以用MOSFET代替圖4.8的Buck變換器中的二極管，如圖4.23所示。圖中BJT也已被MOSFET取代。 MOSFET \(Q_{2}\)由\(Q_{1}\)控制信號的互補信號驅動。計算機電源的趨勢是將輸出電壓電平從5 V降低到3.3 V或更低。隨着輸出電壓的降低，二極管的導通損耗增加。因此，二極管導通損耗很容易成為3.3 V電源中最大的功率損耗源。不幸的是，二極管結的接觸電勢限制了減少二極管正向壓降的措施。可以使用結電位降低的肖特基二極管。但是，包含傳導輸出電流的二極管的低壓電源必定具有低效率。一種解決方案是用用作同步整流器的MOSFET替換二極管。具有導通電阻\(R_{on}\)並以均方根電流\(I_{rms}\)運行的MOSFET的導通損耗為\(I_{rms}^2R_{on}\)。導通電阻可通過使用較大的MOSFET來降低。因此，如果人們願意為足夠大的設備買單，則可以將傳導損耗降低到所需的低水平。同步整流器廣泛用於低壓電源。

Fig 4.23 Buck converter , implemented using a synchronous rectifier