switching_loss_calculation(开关损耗)
电荷泵电路的效率优化研究
交叠时钟信号。当Vo为低电平时，电荷由VDD给V1节 点充电至VDD-Vth；当Vo为高电平时，Vob为低电平，
程，产生相应的功率消耗。电荷泵工作时的电荷再 分配过程如图3。
作者简介：夏天，聚辰半导体股份有限公司，研究方向：集成电路设计。 收稿日期：2021-04-06，修回日期：2021-04-22。
集成电路应用 第 38 卷 第 5 期（总第 332 期）2021 年 5 月 1
研究与设计 Research and Design
图3 电荷泵工作过程中的电荷再分配 电荷泵工作过程中产生电荷再分配功耗的根本原 因是负载电流Iout的存在。由于持续地向负载端输出 Iout，因此即便在最终的稳定状态时，Cout上仍存在 φ1阶段电荷流出，φ2阶段电荷流入的充放电电荷， 这一过程产生的功耗为式（3）。
图8 电荷泵效率与开关管宽度关系 3 仿真及测试结果
使用SMIC 0.13μm ASEE工艺，按照前述的方 法，优化设计了一款电荷泵电路，如图9所示。同 时搭载了一颗原型设计作为对比。
由于级数和主电容大小一致，因此两款电荷泵 的面积基本一致。两款电荷泵的效率测试结果如下 表1所示。通过针对功耗损失的精心优化，电荷泵 的效率提升接近14%。
式（2）所示。
（2）
该值看作一个N级电荷泵的效率极值，实际电
图1 Dickson电荷泵原理图
路中由于各种寄生及非理想因素的存在，电荷泵的
输入电压通过单向导通的二极管传导至下级电
效率将远低于该理想值。本文第二部分将详细分析
容上极板，而后互补的周期性时钟信号φ和φb，交 替将电荷向下一级传导，直至输出端。
软开关变换器
5.1.2 软开关的特征及分类
u i
0
ton t
p
0 （a）开通过程 t
u i
0
toff
t
p
0 （b）关断过程 t
图5-2 软开关的开关过程
➢ 通过在原来的开关电路中增加很小 的电感、电容等谐振元件，构成辅 助换流网络，在开关过程前后引入 谐振过程，使开关开通前电压先降 为零，或关断前电流先降为零，就 可以消除开关过程中电压、电流的 重叠，降低它们的变化率，从而大 大减小甚至消除开关损耗和开关噪 声，这样的电路称为软开关电路。
tontof 6
f
f
UCIC
5-1
➢在式工中作：电P压S —和功工率作管电开流关一损定耗的；条件下，功率管在每个开关周期中 的开关损耗ton是—功恒率定管的开，通变时换间器；总的开关损耗与开关频率成正比。 ➢开关损耗tfof的f——存功—在率功管限率开制管关了关频变断率时换；间器；开关频率的提高，从而限制了变换 器的小型U化C—和关轻断量后化功。率同管时承，受开的关电管压工；作在硬开关时还会产生较高 的di/dt和dIvC/d—t，导从通而后产流入生功较率大管的电电流磁。干扰。
L
r
di Lr dt
u Cr
Ui
C
r
du Cr dt
iLr
I0
5-5
5.1.3 谐振电路的构成与特性
iLr Ui
Lr uCr
➢ 假设在t0时刻，谐振电感的初始电流为
iLr(t0)=ILr0 ， 谐 振 电 容 的 初 始 电 压
Cr
I0
uCr(t0)=UCr0，解微分方程组（5-5），得 到
5.1.2 软开关的特征及分类
➢ 软开关技术问世以来，经历了不断的发展和完善，前后出 现了许多种软开关电路，新型的软开关拓扑仍不断的出现。
全软开关SEPIC变换器损耗分析
全软开关SEPIC变换器损耗分析摘要：本文基于全软开关SEPIC直流开关变换器，着重分析其工作过程中功率开关管、续流二极管产生的各种损耗，最终得出结论，由于软开关的介入，可以将极大地减小开关电路中各元件产生的损耗，提高变换器的效率，有广泛的应用前景。
关键词：SEPIC变换器软开关损耗效率Loss Analysis of An Soft Switching SEPIC ConverterSUN Xinfeng（The Detachment of Warship Training，Dalian Naval Academy，Dalian 116018）Abstract: Based on an soft-switching SEPIC DC-DC converter, the loss of the power switch and the freewheeling diode are analysised. Finally we can find out that thanks to adding the soft switch part the loss of the electronic elements are right smart reduced, the efficiency is increased, and it has extensive of applied foreground.Keywords：SEPIC converter, soft-switching, loss, efficiency1引言关于直流变换器在损耗问题上的研究，国内外文献多建立在对电路原理的数学仿真上[1-3]，而对其损耗机理的定量分析和计算尚不多见。
由直流变换器的工作原理可知，电路中功率MOSFET、续流二极管的损耗主要由器件的物理特性决定，限制了电路的工作频率的进一步提高，特别是在高于300kHz时，其损耗已经很大，由于损耗引起温升，降低了可靠性。
寄生电感在IGBT 开关损耗测量中的影响
寄生电感在IGBT开关损耗测量中的影响Effects of Parasitic Inductance over IGBT Switching Loss Measurement浙江大学沈燕群，邓焰，何湘宁 E-mail: dengyan@摘要：MOS门极功率开关元件的开关损耗受工作电压、电流、温度以及门极驱动电阻等因素影响，在测量时主要以这些物理量为参变量。
但测量的非理想因素对测量结果影响是值得注意的，比如常见的管脚引线电感。
本文在理论分析和实验数据基础上阐述了各寄生电感对IGBT开关损耗测量结果的影响。
Abstract: The switching losses of MOS-Gated power components are decided mostly by operation voltage, current, temperature and driving, which are usually adopted as the loss measurement variables. In addition, measurement is remarkably influenced by non-ideal test conditions such as lead inductance. How the different parasitic inductances effecting over the IGBT transient losses are described based on theoretic analysis and experimental results.关键词：开关损耗测量，寄生电感，IGBTKeywords: Switching loss measurement, Parasitic inductance, IGBT1简介[1]功率半导体开关元件的开关损耗特性研究对功率变流器设计的意义是不言而喻的，在有紧凑性要求或散热条件特殊场合或可靠性要求较高场合，都需要严格按器件损耗特性进行大余量热设计[2-3]。
变 频 控 制 中 IGBTIPM 模 块 的 选 型 问 题
vEC
vout
iout
VEC
t
IEP : Max. peak emitter current =ICP
From application
IEP
iC
j
Power factor: cosj
From application
1-6
VEC @ IEP
From data-sheet
5) 续流二极管恢复损耗 (FWD recovery loss)
1-10
附录：三菱提供的IGBT-MODIPM功耗计算仿真软件
由于上述功耗计算是重点也是难点，三菱公司为此开发了一套关于 IGBT/IPM模块的功耗计算仿真软件，利用此软件便可方便地进行前述 的计算与判断。同时此仿真软件也给出了一些对设计人员进行设计判 断来说非常有用的参数曲线，如：在一定条件下，允许的最大负载峰 值电流随开关频率的变化情况，结温随峰值电流的变化情况，等等。 另外，计算出来的功耗还可用于进行散热器设计。 客户可从下列有关网站下载此计算仿真软件： 三菱电机半导体中文网站： /China/index.html
P ( Esw ( on ) Esw ( off ) ) f c sw
E
Esw(on) E
i
1
t
Tsw=1/fsw
i ICP ICP i
Esw(on) at ICP
From data-sheetsheet
fC : Carrier freq.
Rth(j-c)Q
ΔT(c-f)
功率模块的热等效电路
Rth(c-f)
Heat sink
1-8
ΔT(j-c)R
PD=PDC+Prr
Rth(j-c)R
基于模型预测控制的并网逆变器开关损耗优化方法
基于模型预测控制的并网逆变器开关损耗优化方法杨兴武;冀红超;甘伟【摘要】提出一种应用于单相并网逆变器的可降低开关损耗的模型预测控制方法.该方法基于单相逆变器的离散状态模型,首先加入参考电流方向的判断,对开关状态进行初步筛选并且闭锁部分器件的状态,设置电流跟踪差为指标函数,将筛选出的开关状态代入指标函数进行寻优,选出可使指标函数最小的开关状态;其次引入降损指标函数,判断当前时刻的控制误差,若控制误差在限定范围,保持前一时刻开关状态输出,否则根据当前时刻指标函数最小值更新开关状态,从而大幅降低系统开关频率.该控制方法原理简单、数字化控制易于实现,与传统的控制方式相比,其不用整定PI参数,且系统具有较强鲁棒性.仿真结果表明控制器对并网电流跟踪性能良好,大幅降低了开关频率.【期刊名称】《电力自动化设备》【年(卷),期】2015(035)008【总页数】6页(P84-89)【关键词】模型预测控制;开关状态;跟踪控制;开关频率;优化;逆变器【作者】杨兴武;冀红超;甘伟【作者单位】上海电力学院电气工程学院,上海200090;上海电力学院电气工程学院,上海200090;上海电力学院电气工程学院,上海200090【正文语种】中文【中图分类】TM862;TM4640 引言近年来，为了保障我国的能源安全，新能源的利用得到广泛重视，并网逆变器作为新能源与电网的接口，其控制技术的先进性对新能源的发展至关重要。
目前，应用于单相并网逆变器的控制策略有比例积分控制、电流滞环控制、比例谐振控制、电流预测控制、电流模型预测控制等。
比例积分控制应用广泛，控制思想简单，可采用频域分析和极点配置方法进行参数设计，存在的问题是稳态误差难以消除、参数设计较复杂；电流滞环控制方法简单，动态响应快，性能好，但要求系统采样精度高，导致开关频率高，系统开关频率的不固定使得滤波器设计困难[1]；定频的滞环控制能够取得较好的控制效果，并且能够改善电流频谱特性，但使得控制过程变得复杂，控制精度降低[2-9]；电流预测控制属于线性控制的范畴，具有控制精度高、电流谐波含量小等优点，但存在的问题是对模型参数准确性依赖比较强；电流模型预测控制是近年发展起来的一种控制方法，利用系统离散模型，通过设置指标函数直接选择开关状态，实现目标变量的直接跟踪控制，这种控制方法原理简单、设计容易、电流响应速度快、易于数字化实现，但存在的问题是计算量大，开关频率比较高[10-15]。
纯电动物流车用PMSM降开关损耗控制
10.16638/ki.1671-7988.2021.08.003纯电动物流车用PMSM降开关损耗控制吴雪松，戴晶，文翔，周冬冬（武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉430064）摘要：物流车是城市内部运送货物的重要交通工具，具有运行距离短、启停频率高、运行时间长的特点。
城市内部物流车都逐步采用纯电动物流车代替传统的燃油车。
针对物流车运行特点，文章对电动物流车电机控制算法进行优化，在考虑不同工况下使用不同的开关频率，降低开关损耗，减少控制器发热。
通过对降低开关损耗控制方法与传统控制方法在不同车辆运行工况下对比，电机控制器发热均有所降低，同时电机控制器效率有所增加。
关键词：电动物流车；PMSM；降低开关损耗；新能源中图分类号：U469.72；TM301.2 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2021)08-06-04Switching Loss Reduction Control of PMSM for Pure Electrics VehicleWu Xuesong, Dai Jing, Wen Xiang, Zhou Dongdong（Wuhan Second Ship Design Institute, Hubei Wuhan 430064）Abstract: Logistics vehicle is an important means of transportation of goods within the city, with the characteristics of short running distance, high starting and stopping frequency and long running time. In view of the city internal logistics vehicles are gradually using pure electric logistics vehicles to replace the traditional fuel vehicles. According to the operation characteristics of the logistics vehicle, the motor control algorithm of the electric logistics vehicle is optimized in this paper. Different switching frequency is used under different working conditions to reduce the switch loss and reduce the heating of the controller. By comparing the control method of reducing switching loss with the traditional control method under different vehicle operating conditions, the heating of motor controller is reduced, and the efficiency of motor controller is increased. Keywords: Electric logistics vehicle; PMSM; Reduce switching loss; New energyCLC NO.: U469.72; TM301.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2021)08-06-041 引言物流车多用于城市内部或城市之间运送货物，具有行驶距离短、启停频率高、运行时间长的特点。
LCC谐振变换器开关损耗特性的分析
理论与算法2018.06LCC谐振变换器开关损耗特性的分析黎佳慧，蒋正荣，张慧岳(北方工业大学，北京，100144 )摘要：L C C谐振变换器在具体应用的过程中，具有效率高、电磁干扰小、输出电压纹波小等特征，在服务器电源场合中的应用 优势十分突出。
文章主要对L C C谐振变换器开关损耗特性进行了分析和研究。
关键词：L C C谐振变换器；开关损耗；谐振元件；高次谐波；时域分析法Analysis of switching loss characteristics of LCC resonant converterLi Jiahui,Jiang Zhengrong,Zhang Huiyue(North China U niversity of Technology,B eijing, 100144)Abstract: LCC resonant converter has many advantages, such as high efficiency, small electromagnetic interference and small output voltage ripple in the specific application. It has great advantages in server power applications. In this paper, the switching loss characteristics of LCC resonant converter are analyzed and studied.Keywords: LCC resonant converter; switching loss;resonant element;high order harmonic; time domain analysis method1l c c激关键性技术和难点分析功率开关管的高频化，不仅可减小变压器体积、电感和电容，同时还可节约元件应用成本,提升变换器设备的应用效率。
开关电源的开关损耗
开关电源的开关损耗作者：Roger Kenyon 美信公司应用工程部总监Switching loss in switch-mode power supplies基于电感的开关电源（SM-PS）包含一个功率开关，用于控制输入电源流经电感的电流。
大多数开关电源设计选择MOSFET作开关（图1a中Q1），其主要优点是MOSFET在导通状态具有相对较低的功耗。
MOSFET完全打开时的导通电阻（RDS(ON)）是一个关键指标，因为MOSFET的功耗随导通电阻变化很大。
开关完全打开时，MOSFET的功耗为ID2与RDS(ON)的乘积。
如果RDS(ON)为0.02W，ID为1A，则MOSFET功耗为0.02*12=0.02W。
功率MOSFET的另一功耗源是栅极电容的充放电。
这种损耗在高开关频率下非常明显，而在稳态（MOSFET连续导通）情况下，MOSFET 栅极阻抗极高，典型的栅极电流在纳安级，因此，这时栅极电容引起的功耗则微不足道。
转换效率是SMPS的重要指标，须选择尽可能低的RDS(ON)。
MOSFET制造商也在坚持不懈地开发低导通电阻的MOSFET，以满足这一需求。
随着蜂窝电话、PDA及其他电子设备的体积要求越来越小，对电子器件，包括电感、电容、MOSFET 等的尺寸要求也更加苛刻。
减小SMPS体积的通用方法是提高它的开关频率，开关频率高容许使用更小的电感、电容，使外部元件尺寸最小。
不幸的是，提高SMPS的开关频率会降低转换效率，即使MOSFET的导通电阻非常小。
工作在高开关频率时，MOSFET的动态特性，如栅极充放电和开关时间变得更重要。
可以看到在较高的开关频率时，高导通电阻的MOSFET反而可以提高SMPS的效率。
为了理解这个现象就不能只看MOSFET的导通电阻。
下面讨论了N沟道增强型MOSFET的情况，其它类型的MOSFET具有相同结果。
图1. 一个典型的升压转换器（a）利用MOSFET控制流经电感至地。
【2017年整理】DCDC简介
简介DC/DC 【中文解释】就是指直流转直流电源。
概念是指将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压，也称为直流斩波器。
这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。
用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。
直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源)，同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。
工作原理DC/DC变换是将原直流电通过调整其PWM（占空比）来控制输出的有效电压的大小。
DC/DC转换器又可以分为硬开关（Hard Switching）和软开关（Soft Switching）两种。
硬开关DC/DC转换器的开关器件是在承受电压或流过电流的情况下，开通或关断电路的，因此在开通或关断过程中将会产生较大的交叠损耗，即所谓的开关损耗（Switching loss）。
当转换器的工作状态一定时开关损耗也是一定的，而且开关频率越高，开关损耗越大，同时在开关过程中还会激起电路分布电感和寄生电容的振荡，带来附加损耗，因此，硬开关DC/DC转换器的开关频率不能太高。
软开关DC/DC转换器的开关管，在开通或关断过程中，或是加于其上的电压为零，即零电压开关（Zero-Voltage-Switching，ZVS），或是通过开关管的电流为零，即零电流开关（Zero-Current·Switching，ZCS）。
这种软开关方式可以显著地减小开关损耗，以及开关过程中激起的振荡，使开关频率可以大幅度提高，为转换器的小型化和模块化创造了条件。
功率场效应管（MOSFET）是应用较多的开关器件，它有较高的开关速度，但同时也有较大的寄生电容。
它关断时，在外电压的作用下，其寄生电容充满电，如果在其开通前不将这一部分电荷放掉，则将消耗于器件内部，这就是容性开通损耗。
为了减小或消除这种损耗，功率场效应管宜采用零电压开通方式（ZVS）。