切換損失

切換損失是電力電子學或數位電路的名詞，是指半導體元件開關在斷路到導通過程中，或是導通到斷路過程中的能量損失。一般會有切換過程中，電流和電壓乘積的積分表示。

半導體開關除了切換損失以外，還有因為開關不是理想元件，在導通時仍有電阻，所造成的導通損失，兩者加總即為半導體開關的功率損失。

## 原因

電功率是電流和電壓的積。考慮一個斷路時沒有漏電流，導通時沒有電阻，也沒有導通壓降的理想半導體開關。當半導體開關在斷路時，其開關兩端的電壓降為最大值，但其流過電流值為零，因此沒有電功率損失。當半導體開關導通時，流過開關的電流是最大值，開關兩端的電壓降為零，也沒有電功率損失（實際半導體開關導通時有電阻，有導通壓降，此時的損失即為導通損失。）

半導體開關在導通時和關斷時的損失都很小（理想下為0），而在半導體開關在斷路到導通過程中，或是導通到斷路的過程中，其電壓和電流都不為0，此時會產生較大的電功率損失。

所有半導體開關（包括雙極性電晶體、場效應管、二極體或晶閘管等）其切換時間均不為0，無法立刻從斷路切到導通，也無法立刻從導通切到斷路，而在切換過程中，其電壓和電流均不為0，因此會有能量損失。半導體開關無法立刻切換的原因有很多。像是場效應管在切換之前需對閘端電容充電，而雙極性電晶體和二極體需在關閉時移除載流子，因此讓半導體開關無法立刻斷路。

切換損失只在切換過程中出現，因此只有半導體開關頻繁切換（即以高時鐘頻率工作）下才有顯著影響，在直流-直流轉換器中，會用高頻開關切換線圈和電容器等電子元件，其影響更為明顯。在處理器中，許多電晶體以極高速運作，使得開關損耗成為系統總功耗的主要因素。

## 數學敘述

在用數學敘述切換損失時，為了簡單起見，會假設電晶體的電阻在切換過程中隨時間線性變化。而且，不考慮導通損失，除了功率晶體之外的所有元件都是理想元件。

以下是計算開關關閉時的turn-off損失，依相同原理也可以計算開關打開時的turn-on損失，兩者的和即為切換損失。

### MOSFET接電阻負載時的關閉損失

MOSFET在關閉時的電壓，其函數如下：

$$u = U_+ \cdot \dfrac {t - t_{\text{off}1}} {t_{\text{off}2} - t_{\text{off}1}}$$

關閉的啟始點定義為$t_{\text{off}1}$，關閉的結束點定義為$t_{\text{off}2}$。

MOSFET在關閉時的電流，其函數如下：

$$i = I_{\text{Ton}} - \biggl({I_{\text{Ton}}} \cdot \dfrac {t - t_{\text{off}1}} {t_{\text{off}2} - t_{\text{off}1}}\biggr)$$

所消耗的功率如下：

$$p = u \cdot i = {U_+} \cdot I_{\text{Ton}} \cdot \dfrac {t - t_{\text{off}1}} {t_{\text{off}2} - t_{\text{off}1}} \cdot \bigg(1 - \dfrac {t - t_{\text{off}1}} {t_{\text{off}2} - t_{\text{off}1}}\bigg)$$

在整個關閉過程中，以下的能量轉換到MOSFET：

$$\int_{t_{\text{off}1}}^{t_{\text{off}2}} p\,\mathrm{d}t = {U_+} \cdot I_{\text{Ton}} \cdot \int_{t_{\text{off}1}}^{t_{\text{off}2}} \dfrac {t - t_{\text{off}1}} {t_{\text{off}2} - t_{\text{off}1}} \cdot \bigg(1 - \dfrac {t - t_{\text{off}1}} {t_{\text{off}2} - t_{\text{off}1}}\bigg)\,\mathrm{d}t = \dfrac {{U_+} \cdot I_{\text{Ton}}} {6} \cdot ({t_{\text{off}2} - t_{\text{off}1}})$$

若MOSFET切換頻率為f，則其關閉損失如下：

$$P_{\text{S,off}} = \dfrac {{U_+} \cdot I_{\text{Ton}}} {6} \cdot ({t_{\text{off}2} - t_{\text{off}1}}) \cdot f$$

### MOSFET接電感性負載時的關閉損失

MOSFET在關閉時的電壓，其函數如下：

$$u = U_+ \cdot \dfrac {t - t_{\text{off}1}} {t_{\text{off}2} - t_{\text{off}1}}$$

由於冷次定律，流經電感的電流不會突然變化。因此在關閉瞬間，流經MOSFET的電流和關閉前相同，而MOSFET兩端的壓降會持續增加，一直到和電源電壓相等為止。之後，飛輪兩極體會導通，電路會改由飛輪兩極體來和負載形成迴路。假設電感很大，電感儲存能量遠大於在切換時損失的能量。因此，負載電流的變化很小，可以視為常數。

$$i = I_\text{Ton}$$

關閉時所消耗的功率是時間的函數，函數如下：

$$p = u \cdot i = U_+ \cdot I_\text{Ton} \cdot \dfrac {t - t_{\text{off}1}} {t_{\text{off}2} - t_{\text{off}1}}$$

在整個關閉過程中，提供給MOSFET的能量如下：

$$\int_{t_{\text{off}1}}^{t_{\text{off}2}} p\,\mathrm{d}t = \dfrac {U_+ \cdot I_\text{Ton}} {t_{\text{off}2} - t_{\text{off}1}} \int_{t_{\text{off}1}}^{t_{\text{off}2}} {t - t_{\text{off}1}}\,\mathrm{d}t = \dfrac {{U_+} \cdot I_\text{Ton}} {2} \cdot ({t_{\text{off}2} - t_{\text{off}1}})$$

若MOSFET切換頻率為f，則其關閉損失如下：

$$P_{\text{S,off}} = \dfrac {U_+ \cdot I_\text{Ton}} {2} \cdot ({t_{\text{off}2} - t_{\text{off}1}}) \cdot f$$

## 降低切換損失的方法

在電力電子的電路中，若要降低切換損失，首要之務是透過降低切換頻率來實現。實務上，切換頻率不應選得比實際需求還高。基本上有一個原則：切換頻率的上限，應設定在其造成的切換損失不超過導通損失的範圍內。

另一種降低切換損失的方式是縮短切換時間。依照使用的功率半導體不同，這可以透過提高驅動電流以及相應的功率驅動級電路來達成。這種做法在 MOSFET 上特別能大幅影響並縮短切換時間。然而，極短的切換時間以及隨之而來的快速電流變化，會導致產品的電磁相容性（EMC）變差，因此在實務上，有時會刻意容許較高的切換損失，以換取較佳的電磁相容特性。

此外，也可以採用各種緩衝電路（Snubber networks），以大幅改善切換過程中的電壓電流條件，進而降低切換損耗功率。最簡單的做法是在電晶體旁並聯一顆電容器，在關斷時由該電容器接手負載電流，使電晶體能在無電流——即無功率損耗——的狀態下關斷。但為了避免電晶體再次導通時產生更高的導通損失，需要更複雜的電路設計，以便在導通前先將電容器放電（處理振盪過程）。

在數位電路中，透過降低工作電壓可以減小交越電流（Cross currents），進而降低切換過程中的功率損耗。