在电子电路领域,LLC 电路中的开关损耗及软开关技术是非常重要的研究课题。下面将详细介绍开关管损耗的来源、开关损耗的具体情况、软开关的概念以及软开关在 BUCK 电路中的应用。
开关管损耗来源

导通损耗:MOS 管在导通时,会形成一个沟道,以 N 沟道 MOS 管为例,导通时由 N 型载流子形成沟道,DS 之间存在导通电阻。根据公式
(其中I是流过管子的电流,R为导通电阻,P就是导通损耗),可知导通损耗与电流的平方和导通电阻有关。
开关损耗:MOS 管在开通和关断过程中都会产生损耗,其损耗功率可通过公式
P=U×I
计算,这里的 U 是 MOS 管两端的电压,I 是流过的电流。
反向恢复损耗:MOS 管具有寄生二极管(体二极管),它由 MOS 管内部的 PN 结形成。由于 PN 结存在空间电荷区,在正向导通和反向截止的切换过程中,会对空间电荷区进行充放电,从而产生损耗。
开关损耗详情(以 BUCK 电路为例)
开通损耗:在上管 MOS 管开通时,模拟电路中电压从 0 到高是一个缓慢的过程。在 MOS 导通前,电压一定为 0;当达到 MOS 管导通电压时,MOS 管导通,电压开始逐渐下降,电流逐渐上升,这个过程所经历的时间记为 ton
此时会产生开通损耗。MOS 管关断时,两端存在电压(应力);导通之后,两端电压为 0。即 MOS 关断时应力等于电源电压Vin,导通时电流为Iload由公式P=U×I
可推导出开通损耗的具体表达式。
关断损耗:当 MOS 管关断时,驱动从高电平变为低电平。高电平时有电流流过,低电平时无电流。当驱动为高电平时,MOS 管无电压也无应力;当驱动为低电平时,有电压也有应力。在 MOS 管关断过程中,应力逐渐上升,电流逐渐下降。同样根据公式
P=U×I
可推导出关断损耗的表达式。
ZCS 与 ZVS
软开关:软开关要求开关损耗等于 0,即
P=U×I×t=0
。由于时间 t
不可能为 0,虽然可以加快驱动上升速度,但因存在寄生电容,MOS 管导通相当于给寄生电容充电,上升时间不可能变为零。
零电压导通(ZVS):要实现零电压导通,需在开通之前让电压先降到 0,然后再开通。这样电流上升过程与电压下降过程没有交点,在开通瞬间电压
U=0
电流 I不为 0,从而实现软开关。
零电流关断(ZCS):实现零电流关断,应在关断之前让电流先到 0,然后再关断。此时电流下降过程与电压上升过程没有交点,在关断瞬间电流
I=0,电压U
不为 0,进而实现软开关。
BUCK 电路中软开关的应用
BUCK 的基本原理:左图为上管发波,电感储能的过程;右图上管关断,不管下管发不发波,电感的电流都会通过下管的体二极管续流。
上管关断的详细过程:在电感储能过程中,A 点电压Vin
;上管关断后,通过 Q2 的体二极管进行续流,假设地为零,二极管压降为 0.7V,则稳定状态时 A、B、C 点都是 - 0.7V。由于上管电流也是逐渐减到 0 的,在下管开始续流时上管仍有电流。电感电流在储能续流过程中不变,会从 C3 抽取能量,使得 Vc 一直减小到 - 0.7V≈0,即下管的应力也减小到 0,I
也减小到 0,上管电流也逐渐减到 0,终实现无开通损耗,达成软开关。
BUCK 电路中下管的电压电流波形:当上管驱动电压从高到低时,下管二极管开始续流,下管的电流开始逐渐上升;下管电流上升过程中,下管应力逐渐减小;当下管应力小到 0 时,下管电流趋于稳定;在下管电流趋于稳定后,下管发波导通。因为应力为零,根据公式
P=U×I ,其中U=0则P等于 0,实现零电压导通。

(此处可根据原文图片顺序依次插入更多图片)
通过对 LLC 电路中开关损耗及软开关技术的深入理解,可以更好地优化电路设计,提高电路的效率和性能。