小小的电源开关可如何拯救世界

开关模式拓扑已使用了很长一段时间，但电源开关中仍然有大部分能量流失，改进这些设计的主要潜能在于改进电源开关。有趣的是，在过去几十年间，电源开关的特性逐步提升，转换电路的选择也在不断发展和改变。今天，反激变换器开始用于150W及以上领域，过去至400W的功率范围是由全桥转换器来实现的，现在采用半桥转换器就可以解决。此外还有控制电路和无源元件的进步，新的控制方案和更严格的公差让谐振拓扑得以广泛运用，能提高效率，并进一步降低电磁辐射。

开关模式拓扑的工作原理

右图展示了开关模式转换器的基本概念。其中，开关周期性地导通和关断 (如在60或100kHz)，产生的平方波被转换为较低电压。由于开关 (理想上) 是完全导通或关断，故开关产生的损耗 (导通损耗、开关损耗和栅极驱动损耗) 很小。在这一过程中，理想上电感是不会产生损耗的，但实际上仍存在很小的损耗 (线圈磁芯和阻抗)。二极管是所谓的续流二极管，允许电感上有持续电流流过。

如该图所示，矩形波形下方的面积对应着输出波形的相同面积，但在后者中所有矩形波都连接在一起而产生一个平滑的输出电压。在这种拓扑的前一代结构即所谓的线性稳压器中，开关的功能是由可变电阻所实现的，而且没有电感。电阻值必需随线路和负载的变化而变化，一般有一个有源控制电路根据输出电压对之进行驱动。损耗与I?R成正比，随电流与输入/输出电压的差值增加而增加，并且增加速度非常快。

过去20年中，器件领域取得了巨大的进展。双极型晶体管已为MOSFET所取代，后者的RDSON和稳定性更好，更有双极型晶体管和MOS相结合构成的器件，即所谓的IGBT。

图2 垂直平面型MOSFET的横截面—原理示意图，横截面图

绝缘栅极双极型晶体管 (IGBT) 虽然包含了两个元件而非一个，却没有因此而更复杂。

图3 右边的符号图简单阐明了双极型晶体管是如何被MOSFET所驱动，左图给出了采用硅技术实现时该器件的垂直结构

由于MOSFET的开关频率可以更高 (因此电感更小)，故那些需要相对较低电流和快速开关工作或I-V线性特性的应用产品通常都采用MOSFET来构建，而那些功率较高的、并且需要更大增益和更大电流及中速开关工作的应用一般采用IGBT来构建。IGBT的击穿电压也更容易提高，对于功率较高的系统，最常见的值为1200V、1700V和3500V，而这对MOSFET而言几乎是不可能的，更遑论商业用了。