20170604-开关电源中的功率开关基础知识(一)

普高（杭州）科技开发有限公司 张兴柱 博士

理想开关的特征：

理想开关是电路中早就学过的一个元件，其符号如图1(a)所示，通过控制，可以让开关K

控制K

K

(a) 符号 (b) 简化

图1：理想开关的电路符号

图1：导磁材料的BH曲线

闭合或者断开，在电路教材中，为了简单起见，这种开关上的“控制”两字一般不加标注，其符号被进一步简化成图1(b)所示。电路中的理想开关，其特征是闭合时的电压为零，断开时的电流为零。考虑控制及实际开关的限制，我们可以把图1(a)的这种理想开关在工作时的特征进一步细化成稳态特征和动态特征，总结如下： A：稳态特征：

当开关闭合时，作为理想开关的必要条件是：（1）：开关两端的电压为零；（2）：开关中流过的电流方向和大小无限制，即开关中的电流方向既可以正方向、也可以反方向，开关中流过的电流额定为无限大。

当开关断开时，作为理想开关的必要条件是：（1）：开关中流过的电流为零；（2）：开关两端的电压方向和大小无限制，即开关中的电压方向既可以正方向、也可以反方向，开关两端的电压额定为无限大。 B：动态特征：

开通过程，即开关从断开到闭合的过程，作为理想开关的必要条件是：控制开关开通的信号功率为零；开关开通过程的时间为零，即开关的开通可瞬间完成而且其控制不需要功率。 断开过程，即开关从闭合到断开的过程，作为理想开关的必要条件是：控制开关断开的信号功率为零；开关断开过程的时间为零，即开关的断开可瞬间完成而且其控制不需要功率。 具有上面稳态特征和动态特征的开关就是理想开关，对这种理想开关，我们还可以用图2的波形来形象地表示其特征。其中控制信号为“H”时，开关闭合，闭合时开关中的电流为

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Ion，其值由外部电路决定，方向既可以正方向也可以反方向，且大小无限制，闭合时开关两端的电压为零；当控制信号为L时，开关断开，断开时开关两端的电压为Voff，其值由

控制HL开关 Ion电流开关电压VoffIonVoff 控制K

图2：理想开关的电路波形

外部电路决定，方向既可以正也可以负，且大小无限制，断开时开关中的电流为零；当控制从H瞬间跳变到L时，开关也从闭合瞬间跳变到断开，跳变过程中，开关两端不会有高压产生；当控制从L瞬间跳变到H时，开关也从断开瞬间跳变到闭合，跳变过程中，开关内部不会有浪涌电流产生。另外开关的控制不需要任何功率，也就是说，如果控制的H是一个电位，则受控开关的控制阻抗必定无限大；如果控制的H是一个电流，则受控开关的控制阻抗必定为零。

对照理想开关的这些特征，大家以前接触过的所有开关就都不是理想开关，它们与理想开关在某些特征方面总存在较大的差别。如机械开关、电器开关等，其稳态特征与理想开关较为接近，但其动态特性且与理想开关相差甚远；再如电子开关，其动态特性与理想开关比较接近，但其稳态特性且与理想开关相差较远。同在电子开关中，有些电子开关的稳态特性相对接近理想开关，如普通可控硅，而有些开关的动态特性相对接近理想开关，如功率MOSFET。因此不断去研制接近理想开关特征的实际开关，是科学上一件非常重要的工作。二十世纪五十年代以来，由于晶体管的发明，已使电子开关成为了一种最重要的开关，其朝理想开关逼近的研究取得了突飞猛进的成就。

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