[嵌入式]Part-Ⅰ4. 开关实现（一）

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$i_A=i_L$，开关B阻断负电压$v_B=?V_g$，其工作点如下图所示；当开关A断开，开关B闭合，此时开关B传导正电感电流$i_B=i_L$，开关A阻止正电压$v_A=V_g$，其工作点如下图所示。
    
  • 利用工作点特性，得开关A可以使用晶体管，开关B可使用二极管，得到如下的有效开关实现。
    
  • 当控制器使晶体管导通，二极管反向偏置，此时$v_B=?V_g$，要求$V_g$是正的，否则二极管将正向偏置导通；晶体管传导电流$i_L$，该电流也应为正，以便晶体管正向导电。
  • 当控制器使晶体管关断，二极管必须导通，电感电流需要继续流动。关断晶体管会导致电感器电流$i_L$减小。电感器电压$v_L(t)=Ld{i}_L(t)/dt$可知，其电压变为能使二极管正向偏置的负电压，因此二极管导通。工作在这种模式下的二极管称为续流二极管。
• 上图是单象限开关实现的示例，只能传导一种极性的电流，只能阻断一种极性的电压。

电流双向二象限开关

• 在有的场合，如DC-AC逆变器和伺服放大器（servo amplifiers），都要求开关元件能够传导两种极性的电流，且只用阻断正向电压。
• 这种电流双向二象限开关SPST开关可以使用晶体管和二极管实现（反并联形式连接）。
  
• MOSFET也是一个二象限开关，实际功率MOS内部包含一个内置二极管，通常称为体二极管。体二极管的开关速度比MOS慢得多。
  
• 如果允许体二极管导通，在二极管关断过渡期间可能会出现较高峰值电流，大多数MOS无法承受这些电流，会产生器件故障。为了避免这种情况，可以如b图所示，外部串联和反并联二极管。
• 功率MOS可以专门设计为具有快速恢复的体二极管，并在允许体二极管传输MOS额定电流时可靠工作，但是这种体二极管开关速度仍然有些慢，且由于体二极管存储的电荷会导致明显的开关损耗。
• 如下图，进行分析，该变换器通过正负直流电源，且可以产生具有任一极性的交流输出电压$v(t)$。
  
  • 晶体管Q1与Q2的开关驱动信号互补。当Q1在子区间$0<t<D{T}_s$中导通，Q2在子区间$D{T}_s<t<T_s$中导通。
  • 开关必须阻断电压$2V_g$，且要求$V_g>0$，否则，二极管$D_1$和$D_2$将同时导通，电源短路。
  • $0<t<D{T}_s$内，电感电压 $v_L(t)=V_g?v_o$，$D{T}_s<t<T_s$内，电感电压 $v_L(t)=?V_g?v_o$。
  • 通过电感伏秒平衡可得$$v_0=(2D?1)V_g$$
• 输入输出变换比图形如下
  
  • $D>0.5$时，变换器输出为正；$D<0.5$时，输出电压为负。如果输入一个正弦变化的占空比：$$D(t)=0.5+D_{m}sin(wt)$$$D_m$为小于0.5的常数，则可使输出电压为正弦。
  • 因此这个变换器可以用来做DC-AC逆变器。
• 在平衡条件下，负载电流与电感电流保持一致：$$i_L=\frac{v_o}{R}=(2D?1)\frac{V_g}{R}$$
• 开关必须流过这个电流。因此，当$D>0.5$时，开关电流为正；当$D<0.5$时，开关电流为负。
• 在高频占空比变化的情况下，LC滤波器可能会在电感电流波形中引入相位滞后，但是会存在两种极性的开关电流。
• 开关管Q1导通时
  
• 开关管Q1进入截止，开关管Q2开始导通，利用二极管D2续流
  
  同理，Q2导通后
  
• 同理，Q2开始慢慢关断，Q1慢慢导通，这个过程通过D1续流
  
• 总结：当$i_L$为正时，Q1和D2交替导通；当$i_L$为负时，Q2与D1交替导通。
  
• 电压逆变器（VSI），就是上述类似的工作方式。如下图，包含三个两象限SPDT开关，每相一个。这些开关阻止直流输入电压，且分别输出交流电流$i_a,i_b,i_c。$
  
• 双向电池充放电器。如下图，直流母线电压$v_{bus}$和电池电压$v_{batt}$始终为正。开关器件在电池充电时，阻断母线电压$v_{bus}$，$i_L$为正，Q1和D2交替传导电流。电池放电时，电流$i_L$为负，Q2和D1交替传导电流。
  

电压双向二象限开关

• 对应电流双向二象限开关，存在一种电压双向二象限开关。即开关必须同时阻止正电压和负电压，而只能传导正电流。
  
• 同样可以使用串联的晶体管和二极管来构建SPST开关。如下图
  
• 要想开关关断，控制信号C使晶体管关断，而二极管阻断负电压，晶体管阻断正电压。
• 可控硅整流器就是电压双向二象限的一个实例。
• 如下图所示的 降压-升压逆变器。
  

四象限开关

• 四象限开关，他能传导任一极性的电流和阻断任一极性的电压，如下图所示。
  
• 构造四象限开关的方法有多种。
  • 两个电流双向二象限开关背对背连接，晶体管同时被驱动导通或关断。
  • 两个电压双向二象限开关反并联连接。
  • 使用一个晶体管，使用附加的二极管。
    
• 循环变换器是需要四象限开关的转换器。通过正确控制开关，这个变换器可以从给定的三相交流输入产生可变频率和电压的三相输出。该变换器种没有直流信号，输入电流电压和输出电流电压均为交流电。
  

同步整流

• MOSFET沟道反向传导电流的能力使得在其他需要二极管特性的情况下使用
• 注意下图的连接方式，与前面提到的连接方式不同，可以产生不同的象限区间。
  
• MOSFET用到buck变换器的二极管，如下图。MOS管Q2由Q1控制信号的互补信号驱动。这便是同步整流电路，用MOS管代替续流二极管，适用低压大电流电源。
  
• 计算机及电源等产品的趋势是将输出电压降到更低（比如从5V降到3.3V），但是随着输出电压的降低，二极管的导通损耗所占的比例增加。而二极管的势垒电势限制了减小二极管压降的措施。虽然可以使用结电位较低的肖特基二极管，但是传导输出电流的二极管在低压大电流应用时，会有较高损耗。可以使用同步整流的MOS来替换二极管，损耗由mos的导通电阻造成，而可以使用较大的MOS来降低其导通电阻。