小小的電源開關(guān)可如何拯救世界

開關(guān)模式拓撲已使用了很長一段時間，但電源開關(guān)中仍然有大部分能量流失，改進這些設計的主要潛能在于改進電源開關(guān)。有趣的是，在過去幾十年間，電源開關(guān)的特性逐步提升，轉(zhuǎn)換電路的選擇也在不斷發(fā)展和改變。今天，反激變換器開始用于150W及以上領(lǐng)域，過去至400W的功率范圍是由全橋轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)的，現(xiàn)在采用半橋轉(zhuǎn)換器就可以解決。此外還有控制電路和無源元件的進步，新的控制方案和更嚴格的公差讓諧振拓撲得以廣泛運用，能提高效率，并進一步降低電磁輻射。

開關(guān)模式拓撲的工作原理

右圖展示了開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的基本概念。其中，開關(guān)周期性地導通和關(guān)斷 (如在60或100kHz)，產(chǎn)生的平方波被轉(zhuǎn)換為較低電壓。由于開關(guān) (理想上) 是完全導通或關(guān)斷，故開關(guān)產(chǎn)生的損耗 (導通損耗、開關(guān)損耗和柵極驅(qū)動損耗) 很小。在這一過程中，理想上電感是不會產(chǎn)生損耗的，但實際上仍存在很小的損耗 (線圈磁芯和阻抗)。二極管是所謂的續(xù)流二極管，允許電感上有持續(xù)電流流過。

如該圖所示，矩形波形下方的面積對應著輸出波形的相同面積，但在后者中所有矩形波都連接在一起而產(chǎn)生一個平滑的輸出電壓。在這種拓撲的前一代結(jié)構(gòu)即所謂的線性穩(wěn)壓器中，開關(guān)的功能是由可變電阻所實現(xiàn)的，而且沒有電感。電阻值必需隨線路和負載的變化而變化，一般有一個有源控制電路根據(jù)輸出電壓對之進行驅(qū)動。損耗與I?R成正比，隨電流與輸入/輸出電壓的差值增加而增加，并且增加速度非常快。

過去20年中，器件領(lǐng)域取得了巨大的進展。雙極型晶體管已為MOSFET所取代，后者的RDSON和穩(wěn)定性更好，更有雙極型晶體管和MOS相結(jié)合構(gòu)成的器件，即所謂的IGBT。

圖2 垂直平面型MOSFET的橫截面—原理示意圖，橫截面圖

絕緣柵極雙極型晶體管 (IGBT) 雖然包含了兩個元件而非一個，卻沒有因此而更復雜。

圖3 右邊的符號圖簡單闡明了雙極型晶體管是如何被MOSFET所驅(qū)動，左圖給出了采用硅技術(shù)實現(xiàn)時該器件的垂直結(jié)構(gòu)

由于MOSFET的開關(guān)頻率可以更高 (因此電感更小)，故那些需要相對較低電流和快速開關(guān)工作或I-V線性特性的應用產(chǎn)品通常都采用MOSFET來構(gòu)建，而那些功率較高的、并且需要更大增益和更大電流及中速開關(guān)工作的應用一般采用IGBT來構(gòu)建。IGBT的擊穿電壓也更容易提高，對于功率較高的系統(tǒng)，最常見的值為1200V、1700V和3500V，而這對MOSFET而言幾乎是不可能的，更遑論商業(yè)用了。