Part-Ⅰ4. 开关实现（一）

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前言

• 在前面的章节我们已经知道，可以使用二极管、晶体管来作为buck、boost和其他一些DC-DC变换器的开关元件。但是为什么会这样呢？或者说，如何实现半导体的开关呢？
• 半导体功率器件表现为单刀单掷开关，即SPST。如下图
  
• 通常，对于一个buck电路，我们使用理想的单刀双掷（SPDT）开关来绘制电路图，如下图
  
• 但是实际情况下，使用两个SPST更为接近现实，如下图
  
• 使用两个SPST开关 实现SPDT开关并不像看起来那么简单，电路并不是完全等效，两个SPST开关可能同时处于导通状态或断开状态，状态不明确。且开关状态有可能会取决于其两端的电压或电流波形，类似二极管。在一些常见的轻载或重载下运行的变换器，很容易因此明显改变变换器的属性。
• 使用半导体实现理想开关，那要求器件在截止状态下必须阻断电压，在导通状态必须导通电流。如上图的buck变换器，开关A在截止状态下必须阻断正向电压$V_g$，在导通状态下必须传导正向电流$i_L$。开关的关断电压和导通电流位于如下图所示的单个象限中，利用二极管或晶体管实现。单象限开关在DC-DC转换器中很常见。
  
• 在逆变器电路中，则需要用到两象限开关。输出电流是交流电，因此半导体开关的实现更加复杂。可以使用晶体管和二极管来实现两象限SPST开关。有时也会出现双重情况，开关电流始终为正，但阻断电压为交流。这时需要使用晶体管和二极管的不同组合来构造这种类型的双象限开关。
• Cycloconverter通常需要四象限开关，这种开关能够阻断交流电压，且传导交流电流。
• 同步整流器，MOSFET的反向导电能力使其可以用于需要二极管的地方，如果MOS的导通电阻足够小，则其导通损耗会小于使用二极管产生的导通损耗。在一些低压大电流应用中使用同步整流器，来提高效率。

开关应用

• 理想的SPST如下图所示，开关包含电源端子1和0。
  
• 在接通状态下，$v=0$；在断开状态下，$i=0$。有时，也会有第三端子$C$，施加控制信号。SPST开关有一个显著特征，它们可以工作在一个$i-v$平面区域。无源开关不包含控制端子$C$。

无源开关

• 无源开关的状态由施加在0和1的电流和电压决定。最常见的例子是二极管
  • 理想二极管：$v(t)⩽0$ 和$i(t)⩾0$
    
  • 当$v<0$，二极管关断，$i=0$；当$v=0$，二极管导通，$i>0$。
  • 能阻止负电压，而不能阻止正电压。
  • 当设计条件满足二极管导通和关断的工作特性曲线，则可以使用二极管来实现无源SPST的开关功能。

有源开关

• 有源开关的导通状态取决于施加在控制端子$C$的信号。开关的状态不直接取决于施加在0和1的电流和电压。
• 常见示例：BJT，MOSFET，IGBT，GTO，MCT等等。
• BJT和IGBT的理想特性$i-v$如下
  • 当控制端使晶体管处于截止状态时，$i=0$，且该器件能够阻断正向电压，$v\ge 0$。
  • 当控制端使晶体管处于导通状态时，该器件能够传导正电流，$i\ge 0$。
    
  • BJT和IGBT的反向导通特性很差或不存在，在功率转换器领域基本没有应用。
• MOSFET具有相似的特性，但是它能反向传导电流。
  
• 下面我们试着用BJT应用到包含两个SPST的buck电路中
  
  • 当开关A闭合，开关B断开，此时开关A传导正电感电流 i A = i L i_A=i_L