通过软切换选项可以帮助实现功率密度目标

作者：时间：2026-01-15 来源：

软开关（也称为谐振开关）是一种用于减少开关损耗和元件电磁应力的技术——它在实现更高的电路密度方面起着重要作用。

在传统的硬开关中，像MOSFET或IGBT这样的功率器件在电压和电流同时存在时会开关。这会产生较高的开关损耗（因为功率=电压×电流在过渡过程中）和强烈的电磁干扰（EMI）。

软切换则确保以下两者之一：

这通常通过添加共振元件（电感或电容器）来实现，这些元件在跃迁过程中塑造电压或电流波形。

在每次切换转换时：

软切换与电路密度有什么关系？

软交换直接支持更高的功率密度（单位体积瓦数增加），方式有多种：

减少热量产生：较低的开关损耗意味着散热量更少。这使得散热片更小，布局更紧凑。
更高的切换频率：由于开关损耗更小，转换器可以在更高的频率下工作——对于氮化镓（GaN）或碳化硅（SiC）器件，通常可达数百千赫甚至MHz。更高的频率意味着更小的电感器、变压器和电容，进而导致变换器更小、更轻。
效率提升：更多的输入功率传递到负载，而不是以热量形式浪费，从而实现更密集的积分和更小的热路径。
减少EMI和压力：平滑过渡降低了辐射噪声和器件应力，提高了可靠性，并使元件封装更紧密且无干扰问题。

有什么软切换能提高密度的例子吗？

在谐振LLC转换器中，软切换使设计者能够利用紧凑型磁性开关和氮化镓开关，以>97%的效率将频率推高到500 kHz以上——非常适合高密度的电动汽车充电器或数据中心电源模块。

另一个例子是硬切换三电平逆变器，采用T型拓扑，辅以由多个无源元件组成的缓冲电路。这种电路布置（见图）防止了同时出现高电压和高电流的情况。所有切换过程都以“软性”方式进行，基本避免了切换损失。

该示意图展示了一个三电平逆变器，并增加了一个以灰色标出的缓冲电路，以实现软开关功能。

一般来说，软切换通过显著提高电力变换器的切换频率来提升电路密度。因此，它能够减少大型笨重无源元件的体积，如电感器、电容和变压器。通过最小化开关损耗，软切换消除了在极高频率下工作的主要障碍，使设计者能够构建更小、更紧凑的电路。

设计软开关的想法

如前所述，软开关的设计涉及调整电压和电流的跃迁，使开关器件（如MOSFET、IGBT、氮化镓或硅晶体管）在零电压（ZVS）或零电流（ZCS）条件下能够导通或关闭。这最大限度地减少了开关损耗、电磁干扰和热应力，从而实现了高效率和高功率密度。

确定切换模式：尽早决定设计采用ZVS还是ZCS：

选择取决于你的负载类型、输入电压范围和开关设备的特性。

软开关依赖谐振网络——通常是电感（Lr）和电容（Cr）的组合——它塑造了电流或电压波形：

选择Lr 和 Cr 使电路的自然振荡有助于放电器件电容（ZVS）或调整电流衰减（ZCS），然后再进行切换跃迁。

选择合适的电感和电容器

电感器使用低损耗磁芯（铁氧体、铁粉或纳米晶），具备高饱和电流能力。通过正确的绕组几何形状（Litz线、箔或平面线圈）来尽量减少铁芯和铜的损耗。目标是高Q因子（质量因子），以减少寄生阻尼。

对于电容器，选择低ESR和低ESL类型——通常是为高纹波电流额定的薄膜或陶瓷电容器。在谐振转换器中，电容器的公差和温度稳定性直接影响开关时序。如果建模得当，晶体管的输出电容（COSS）也可以用于软开关。

还有哪些其他设计理念？

快速切换、低电荷器件——GaN或SiC场效应晶体管——通常在高频下性能优于硅晶体。尽量优化设备切换之间的死时间。如果间隔过短，可能导致重叠损失。如果间隔较长，可能会失去软切换条件。考虑使用缓冲器或主动夹具，以吸收寄生能量并提高可靠性。

在评估可靠性和质量因素时，务必考虑元件公差、温度漂移以及长期老化（尤其是电容器）。

降减：在电压/电流限制的70%至80%下运行元件，并通过热模型和应力测试进行验证，因为软开关电路效率高但对时序漂移较为敏感。

其他建议包括使用SPICE或LTspice模拟来调节L、r和C、r的值。考虑采用同步整流器以减少导电损耗。确保PCB布局最大限度地减少寄生电感，尤其是在栅极和电源回路中，并验证软开关在满载、部分负载和瞬态条件下的范围。

商业可用的软交换解决方案示例

多家制造商提供集成或模块化软交换解决方案，简化实施，包括：

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