[Fundamental of Power Electronics]-PART I-4.开关实现-4.1 开关应用

4.1 开关应用

4.1.1 单象限开关

理想的SPST(Single pole single throw)开关如图4.1所示。开关包含电源端子1和0，其电流和电压极性如图所示。在接通状态下，电压$v$为零，而在断开状态下电流$i$为零。有时在第三端子$C$处施加控制信号。 SPST开关的显着特征包括控制方法（有源与无源）以及它们可以在其工作的$i-v$平面区域。无源开关不包含控制端子$C$。开关的状态由施加到端子0和1的波形$i(t)$和$v(t)$决定。最常见的例子是如图4.4所示的二极管。理想二极管需要$v(t) \leq0$ 以及$i(t) \geq 0$。当$v<0$时，二极管关断，$i=0$；当$v=0$时，二极管导通，$i>0$。它可以阻止负电压但不能阻止正电压。可以使用二极管来实现无源SPST的开关，其条件是预期的工作点（当开关处于导通和关断状态时的$v(t)$和$i(t)$）位于图4.4所示的二极管工作特性上。

Fig 4.1 SPST switch, with voltage and current polarities

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

有源开关的导通状态取决于施加到控制端子$C$的信号。状态不直接取决于施加到端子0和1的波形$v(t)$和$i(t)$。BJT，MOSFET，IGBT，GTO和MCT都是有源开关的示例。BJT和IGBT的理想特性$i(t)$vs.$v(t)$如图4.5所示。当控制端子使晶体管处于截止状态时，$i=0$，并且该器件能够阻断正向电压：$v\geq0$。当控制端子使晶体管处于导通状态，并且该器件能够传导正电流：$i\geq0$。BJT和IGBT的反向导通和反向导通特性很差或不存在，并且在功率转换器领域基本上没有应用。功率MOSFET（图4.6）具有相似的特性，但它能够反向传导电流。除一个值得注意的例子（稍后讨论的同步整流器）外，MOSFET通常以与BJT和IGBT相同的方式工作。因此，只要目标工作点位于图4.5的晶体管特性上，就可以使用BJT，IGBT或MOSFET来实现有源SPST开关。

Fig 4.5 Bipolar junction transistor and insulated gate bipolar transistor symbols

Fig 4.6 Power MOSFET symbol

为了确定如何使用晶体管或二极管实现SPST开关，需要将开关的工作点与图4.4,4.5以及4.6的$i–v$特性进行比较。例如，当打算将图4.2中的SPDT开关置于位置1时，SPST开关A闭合，而SPST开关B断开。然后，开关A传导正电感电流$i_{A}=i_{L}$，而开关B必须阻断负电压$v_{B}=-V_{g}$。这些开关的工作点如图4.7所示。同样，当打算将图4.2的SPDT开关置于位置2时，则SPST开关A断开，而开关B闭合。然后，开关B传导正电感电流$i_{B}=i_{L}$，而开关A阻止正电压$v_{A}=V_{g}$。

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

通过将图4.7的开关A的工作点与图4和5进行比较。从图4.5和4.6可以看出，因为开关A必须阻断正电压并传导正电流,可以使用晶体管（BJT，IGBT或MOSFET）。同样，图4.7与图4.4的比较表明，因为开关B必须阻断负电压并传导正电流,开关B可以使用二极管实现。因此，图4.8给出了有效的开关实现。

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

图4.8是单象限开关实现的示例：这些器件只能传导一种极性的电流，并且只能阻断一种极性的电压。当控制器将晶体管导通时，二极管将变为反向偏置，因为$v_{B} = -V_{g}$。要求$V_{g}$是正的；否则，二极管将被正向偏置。晶体管传导电流$i_{L}$，该电流也应为正，以便晶体管正向导电。

当控制器关断晶体管时，二极管必须导通，以便电感电流可以继续流动。关断晶体管会导致电感器电流$i_{L}$减小。由于电感器电压$v_{L}(t) = L di_{L}(t)/dt$变为足以使二极管正向偏置的负电压，因此二极管导通。以这种方式工作的二极管有时称为续流二极管。要求$i_{L}$是正向的；否则，由于$i_{B} = i_{L}$二极管不能正向偏置。晶体管阻断电压$V_{g}$，该电压应为正，以避免在反向阻断模式下开关该晶体管。

4.1.2 电流双向二象限开关

在各种应用场合如DC-AC逆变器以及伺服放大器中，都要求开关元件能够传导两种极性的电流，而只能阻断正向电压。这种电流双向二象限SPST开关可以使用晶体管和二极管实现。如图4.9所示，它们以反并联形式连接。

Fig 4.9 A current-bidirectional two-quadrant SPST switch

图4.6的MOSFET也是一个二象限开关。但是，应注意的是，实际的功率MOSFET本质上包含一个内置二极管，通常称为体二极管，如图4.10所示。体二极管的开关速度比MOSFET慢得多。如果允许体二极管导通，则在二极管关断过渡期间可能会出现较高峰值电流。大多数MOSFET均无法承受这些电流，因此会发生器件故障。为了避免这种情况，可以如图4.10所示添加外部串联和反并联二极管。功率MOSFET可以专门设计为具有快速恢复的体二极管，并在允许体二极管传导MOSFET额定电流时可靠地工作。但是，这种体二极管的开关速度仍然有些慢，并且由于二极管存储的电荷（在本章的后面讨论）可能会导致明显的开关损耗。

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

如图4.2所示，可以再次使用两个SPST开关得出SPDT电流双向二象限开关。图4.11给出了一个例子。该变换器通过正负直流电源工作，并且可以产生具有任一极性的交流输出电压$v(t)$。晶体管$Q_{2}$与晶体管$Q_{1}$的开关驱动信号互补。所以当$Q_{1}$在第一个子区间$0<t<DT_{s}$中导通，$Q_{2}$在第二个子区间$DT_{s}<t<T_{s}$中导通。

Fig 4.11 Inverter circuit using two-quadrant switches

从图4.11可以看出，开关必须阻断电压$2V_{g}$。要求$V_{g}$是正的；否则，二极管$D_{1}$和$D_{2}$将同时导通，从而使电源短路。

通过电感伏秒平衡可以看到：

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

该方程式如图4.12所示。 $D>0.5$时，变换器输出电压为正； $D <0.5$时，变换器输出电压为负。通过占空比的正弦变化：

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

其中$D_{m}$为小于0.5的常数，输出电压为正弦。因此这个变换器可以用来作为DC-AC逆变器。

Fig 4.12 Output voltage vs duty cycle of the inverter

负载电流为$v_{0}/R$。在平衡状态下，这个电流与电感电流保持一致：

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

开关必须流过这个电流。因此，当$D> 0.5$时，开关电流也为正；当$D <0.5$时，开关电流为负。在高频占空比变化的情况下，LC滤波器可能会在电感电流波形中引入相位滞后，但确实会存在两种极性的开关电流。因此，开关必须在如图4.13所示平面的两个象限中工作。当$i_L$为正时，$Q_1$和$D_2$交替导通。当$i_L$为负时，$Q_{2}$和$D_1$交替导通。

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

众所周知的DC-3AC逆变器电路，即电压源逆变器（VSI），就是以类似的方式工作。如图4.14所示，VSI包含三个两象限SPDT开关，每相一个。这些开关阻止直流输入电压$V_{g}$，并且分别输出交流电流$i_{a}$，$i_{b}$和$i_{c}$。

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

电流双向二象限开关的另一个示例是图4.15中所示的双向电池充电器/放电器。例如，该变换器可用于将电池连接到航天器的主电源总线。直流母线电压$v_{bus}$和电池电压$v_{batt}$始终为正。半导体开关元件在电池充电时会阻断正电压$v_{bus}$，$i_{L} $为正，$Q_{1}$和$D_{2}$交替传导电流。电池放电时，电流$i_{L}$为负，并且$Q_{2}$和$D_{1}$ 交替导通。尽管这是一个DC-DC转换器，但由于电流可以沿任一方向流动，因此它需要两个象限开关。

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

4.1.3 电压双向二象限开关

有时需要另一种类型的二象限开关，它具有图4.16所示的电压双向特性。在开关必须同时阻挡正电压和负电压而只能传导正电流的应用中，可以使用串联的晶体管和二极管来构建SPST开关，如图4.17所示。当期望使开关处于截止状态时，控制器将晶体管关断。然后，二极管阻断负电压，而晶体管阻断正电压。串联连接可阻断负电压至二极管额定电压，正电压至晶体管额定电压。可控硅整流器是电压双向二象限开关的另一个示例。

Fig 4.16 Voltage bidirectional two-quadrant switch properties

Fig 4.17 A voltage-bidirectional two-quadrant SPST switch

需要这种双象限开关的变换器是图4.18 所示的dc-3ac降压-升压型逆变器。如果转换器在逆变器模式下工作，从而电感电流始终为正，则所有开关仅传导正电流。但是开关必须阻止输出交流线电压，该电压有时为正，有时为负。因此，需要电压双向二象限开关。

Fig 4.18 DC-3AC buck-boost inverter

4.1.4 四象限开关

Fig 4.19 A four-quadrant switch properties

最普通的开关类型是四象限开关，它能够传导任一极性的电流和阻断任一极性的电压，如图4.19所示。构造四象限开关的方法有几种。如图4.20第三个电路所示，可以将第4.1.2节中描述的两个电流双向双象限开关背对背连接。晶体管同时被驱动导通和关断。另一种方法是在4.1.3节中描述的两个电压双向双象限开关的反并联连接，如图4.20中第二个电路所示。图4.20最后一个拓扑给出了第三种方法，该方法仅使用一个晶体管，但使用附加的二极管。

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

循环变换器是一类需要四象限开关的转换器。例如，图4.21所示为3ac-3ac矩阵变换器。九个SPST开关中的每一个都使用图4.20的拓扑之一实现。通过正确控制开关，此变换器可以从给定的三相交流输入产生可变频率和电压的三相输出。请注意，该变换器中没有直流信号：所有输入和输出电压和电流均为交流电，因此需要四象限开关。

Fig 4.21 A three 3ac-3ac matrix converter

4.1.5 同步整流器

MOSFET沟道反向传导电流的能力使得可以在其他需要二极管的情况下使用MOSFET。当按图4.22的方式连接MOSFET时[请注意，源极和漏极的连接与图4.6的连接相反]，可获得图4.22中象限的特性。该器件现在可以阻断负电压并传导正电流，其特性类似于图4.4中的二极管。必须控制MOSFET，使其在二极管正常导通时工作在导通状态，而在二极管反向偏置时工作在截止状态。

Fig 4.22 Power MOSFET connected as a synchronous rectifier

因此，我们可以用MOSFET代替图4.8的Buck变换器中的二极管，如图4.23所示。图中BJT也已被MOSFET取代。 MOSFET $Q_{2}$由$Q_{1}$控制信号的互补信号驱动。计算机电源的趋势是将输出电压电平从5 V降低到3.3 V或更低。随着输出电压的降低，二极管的导通损耗增加。因此，二极管导通损耗很容易成为3.3 V电源中最大的功率损耗源。不幸的是，二极管结的接触电势限制了减少二极管正向压降的措施。可以使用结电位降低的肖特基二极管。但是，包含传导输出电流的二极管的低压电源必定具有低效率。一种解决方案是用用作同步整流器的MOSFET替换二极管。具有导通电阻$R_{on}$并以均方根电流$I_{rms}$运行的MOSFET的导通损耗为$I_{rms}^2R_{on}$。导通电阻可通过使用较大的MOSFET来降低。因此，如果人们愿意为足够大的设备买单，则可以将传导损耗降低到所需的低水平。同步整流器广泛用于低压电源。

Fig 4.23 Buck converter , implemented using a synchronous rectifier