基础科普 硬开关DC-DC变换器工作原理简析

硬开关DC-DC变换器是目前工业和电网系统中常用到的一种变换器类型，也是最早被研发成功的类型之一。本文将会对硬开关DC-DC的工作原理进行简要分析介绍，帮助工程师进一步熟悉其工作特性。

在2008年之后，我国的功率半导体元器件发展速度明显加快，这也催动了DC-DC变换器的技术革新。由于新研发的功率元器件可以在越来越高的开关频率下工作，因此近几年所研发的变换器体积和重量也越来越小，而功率密度则越来越高。目前，我国国内常用的PWM DC-DC转换器工作在50-200kHz频率范围内时，可以实现最佳的重量、尺寸、效率、可靠性及价格等。

可能很多工程师都知道，在传统的PWM变换器中，功率开关元件的开关均为硬开关。采用硬开关的DC-DC在开关开通的瞬间，功率开关的漏源极的电压将会从高压降为零，电流从零迅速上升。当开关关断的瞬间，功率开关的漏源极电压由零变为开路电压，电流从很大降为零，在V-I交集中产生很大的面积重叠，造成较大的开关损耗。这种开关的过程，也被称为硬开关过程。硬开关过程的开关轨迹和电压电流波形如图1、图2所示。

图1 硬开关的开关轨迹图

图2 硬开关工作下的电压和电流

硬开关的转换器操作方式虽然比较基础常见，但是仍然存在着一些难以克服的缺陷。首先硬开关操作方式很容易降低工作效率，更会影响元件的使用寿命。在硬开关的工作状态下，元器件电压和电流的变化很快，其波形容易出现明显的过冲现象，导致明显的开关噪声。再者，由于开关损耗与开关频率之间呈线性关系，虽然硬开关电路的工作频率在不太高的情况下，开关损耗占总损耗的比例并不是特别大，但是这种开关损耗会随着开关频率的进一步提高而变得越来越大。

以上就是本文对硬开关DC-DC变换器工作原理的简要分析，希望能够帮助工程师更清晰的掌握其工作特性。