主動開關硬式切換介紹

轉換器中常使用金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)或雙極接面電晶體 (BJT)作為主動開關，本文實驗中的主動式開關將選擇使用金屬氧化物半導體場效電 晶體。因金屬氧化物半導體場效電晶體在切換時並非理想現象，其中可能造成的切 換損失。會因漏感以及寄生電容，產生不必要之突波，對電晶體元件造成不必要之 應力，而導致元件之損毀。

硬式切換可能造成的切換損失有：[16-20]

1. 開關截止損失：在主動開關使用硬式切換方式，當開關截止時，由於開關電流 下降緩慢，開關的跨壓因為汲極(D)與源極(S)間寄生電容受到大電流急速充電而 造成電壓快速上升，快速上升電壓與緩慢下降的開關電流所交疊之面積，即為 開關截止損失，如圖2.4所示。而此勢也必造成功率損耗於開關上。

圖2.4 主動開關截止時之暫態

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2. 開關導通損失：汲極(D)-源級(S)間寄生電容的放電發生於開關導通暫態，因金 屬氧化物半導體場效電晶體的汲極(D)和源極(S)間寄生電容作用，當開關導通時 必須先將電容放電，由於寄生電容放電，開關電流會快速上升，而開關電壓因 寄生電感，開關跨壓緩慢下降，開關電流與開關電壓所交疊之面積，即為開關 導通損失 ，如圖2.5所示。而此勢也必造成功率損耗於開關上。

圖2.5 主動開關導通時之暫態

由上圖2.4跟圖2.5可知硬式切換在開關截止與導通時皆會造成切換損失。當系統 切換頻率增加，在導通與截止時開關元件上的電壓或電流迅速變化，即電壓變化率 (dv/dt)與電流變化率(di/dt)過大，將產生嚴重之電磁干擾(Electromagnetic Interference, EMI)，這不僅影響系統本身之運作，產生之高頻雜訊也會干擾其他電子設備，而且 還可能會引起電磁干擾問題，嚴重的話會造成電路誤動作，甚至影響控制迴路，產 生穩定性問題。而其切換損失將也會轉換成熱能，隨著電路的運作，系統溫度亦逐 漸上升，然而開關元件在高溫時之耐壓與耐流的能力也會降低，若未重視散熱的問 題，將導致功率開關元件壽命縮短，甚至過熱而燒毀；若無法降低切換的損失，勢 必要在功率開關元件上加大散熱片來解決散熱的問題，因此散熱系統的體積必須增

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加，最終還是無法達到產品精密和小型化的設計目的。因此，硬式切換大致上僅適 用於較低功率之應用。

由於開關切換損失發生在每個切換動作，與切換頻率是成正比的，若切換頻率 提高，開關所造成損失亦會提高。伴隨著現代科技進步，我們會想要減小元件(如磁 性元件、儲能元件)的面積，勢必提高切換頻率，如此一來每週期的儲存能量變化較 小，即可縮小體積亦可以減省成本，但是若提高操作頻率，切換損失的問題將會接 踵而來。由上述的開關切換暫態現象可以知道，若使用傳統硬式切換的方法一定會 造成切換損失，若使用柔式切換的方式功率開關間的切換將可解決此困擾。

常見的開關柔性切換技術有零電流切換(Zero-Current Switching, ZCS)以及零電 壓切換(Zero-Voltage Switching, ZVS)，即能有效地降低切換損失。因此使用柔式切 換降低損失的技術相對重要。

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