通過軟切換選項可以幫助實現功率密度目標

作者：時間：2026-01-15 來源：

軟開關（也稱為諧振開關）是一種用于減少開關損耗和元件電磁應力的技術——它在實現更高的電路密度方面起著重要作用。

在傳統的硬開關中，像MOSFET或IGBT這樣的功率器件在電壓和電流同時存在時會開關。這會產生較高的開關損耗（因為功率=電壓×電流在過渡過程中）和強烈的電磁干擾（EMI）。

軟切換則確保以下兩者之一：

這通常通過添加共振元件（電感或電容器）來實現，這些元件在躍遷過程中塑造電壓或電流波形。

在每次切換轉換時：

軟切換與電路密度有什么關系？

軟交換直接支持更高的功率密度（單位體積瓦數增加），方式有多種：

減少熱量產生：較低的開關損耗意味著散熱量更少。這使得散熱片更小，布局更緊湊。
更高的切換頻率：由于開關損耗更小，轉換器可以在更高的頻率下工作——對于氮化鎵（GaN）或碳化硅（SiC）器件，通常可達數百千赫甚至MHz。更高的頻率意味著更小的電感器、變壓器和電容，進而導致變換器更小、更輕。
效率提升：更多的輸入功率傳遞到負載，而不是以熱量形式浪費，從而實現更密集的積分和更小的熱路徑。
減少EMI和壓力：平滑過渡降低了輻射噪聲和器件應力，提高了可靠性，并使元件封裝更緊密且無干擾問題。

有什么軟切換能提高密度的例子嗎？

在諧振LLC轉換器中，軟切換使設計者能夠利用緊湊型磁性開關和氮化鎵開關，以>97%的效率將頻率推高到500 kHz以上——非常適合高密度的電動汽車充電器或數據中心電源模塊。

另一個例子是硬切換三電平逆變器，采用T型拓撲，輔以由多個無源元件組成的緩沖電路。這種電路布置（見圖）防止了同時出現高電壓和高電流的情況。所有切換過程都以“軟性”方式進行，基本避免了切換損失。

該示意圖展示了一個三電平逆變器，并增加了一個以灰色標出的緩沖電路，以實現軟開關功能。

一般來說，軟切換通過顯著提高電力變換器的切換頻率來提升電路密度。因此，它能夠減少大型笨重無源元件的體積，如電感器、電容和變壓器。通過最小化開關損耗，軟切換消除了在極高頻率下工作的主要障礙，使設計者能夠構建更小、更緊湊的電路。

設計軟開關的想法

如前所述，軟開關的設計涉及調整電壓和電流的躍遷，使開關器件（如MOSFET、IGBT、氮化鎵或硅晶體管）在零電壓（ZVS）或零電流（ZCS）條件下能夠導通或關閉。這最大限度地減少了開關損耗、電磁干擾和熱應力，從而實現了高效率和高功率密度。

確定切換模式：盡早決定設計采用ZVS還是ZCS：

選擇取決于你的負載類型、輸入電壓范圍和開關設備的特性。

軟開關依賴諧振網絡——通常是電感（Lr）和電容（Cr）的組合——它塑造了電流或電壓波形：

選擇Lr 和 Cr 使電路的自然振蕩有助于放電器件電容（ZVS）或調整電流衰減（ZCS），然后再進行切換躍遷。

選擇合適的電感和電容器

電感器使用低損耗磁芯（鐵氧體、鐵粉或納米晶），具備高飽和電流能力。通過正確的繞組幾何形狀（Litz線、箔或平面線圈）來盡量減少鐵芯和銅的損耗。目標是高Q因子（質量因子），以減少寄生阻尼。

對于電容器，選擇低ESR和低ESL類型——通常是為高紋波電流額定的薄膜或陶瓷電容器。在諧振轉換器中，電容器的公差和溫度穩定性直接影響開關時序。如果建模得當，晶體管的輸出電容（COSS）也可以用于軟開關。

還有哪些其他設計理念？

快速切換、低電荷器件——GaN或SiC場效應晶體管——通常在高頻下性能優于硅晶體。盡量優化設備切換之間的死時間。如果間隔過短，可能導致重疊損失。如果間隔較長，可能會失去軟切換條件。考慮使用緩沖器或主動夾具，以吸收寄生能量并提高可靠性。

在評估可靠性和質量因素時，務必考慮元件公差、溫度漂移以及長期老化（尤其是電容器）。

降減：在電壓/電流限制的70%至80%下運行元件，并通過熱模型和應力測試進行驗證，因為軟開關電路效率高但對時序漂移較為敏感。

其他建議包括使用SPICE或LTspice模擬來調節L、r和C、r的值。考慮采用同步整流器以減少導電損耗。確保PCB布局最大限度地減少寄生電感，尤其是在柵極和電源回路中，并驗證軟開關在滿載、部分負載和瞬態條件下的范圍。

商業可用的軟交換解決方案示例

多家制造商提供集成或模塊化軟交換解決方案，簡化實施，包括：

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