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【倾佳杨茜-死磕强电】第 9 讲｜为什么要"开关"而不是"调节"：线性电源和开关电源的根本区别 第二单元开始讲开关。先回答一个根本问题：功率半导体为什么只有开和关两种状态？为什么不像水龙头那样连续调节？答案是一笔热的账。 一、调节的代价假设要把 800V 降到 400V，给一个 100A 的负载供电。 最直观的办法：串一个可调电阻，让它分掉 400V。这个电阻上流 100A、降 400V，发热 400 × 100 = 40,000W。负载得到 40kW，电阻浪费 40kW，效率 50%。 把可调电阻换成一个晶体管，让它工作在半开半关的状态，结果一样：晶体管上降 400V、流 100A，烧掉 40kW。这叫线性调节，效率等于输出电压除以输入电压，降压越多效率越低。 线性调节今天只在几瓦以下的小功率场合用，比如手机里的 LDO。几十瓦以上全部用开关。 二、开关的账换一种思路：晶体管要么全开，要么全关。 全开时，晶体管上只有很小的导通压降，比如 40mΩ × 100A = 4V，损耗 400W。全关时，晶体管上有 800V，但电流是零，损耗零。 让它一半时间开、一半时间关，平均输出 400V，平均损耗 200W。比线性调节的 40,000W 小了 200 倍。 这就是开关电源的全部原理：功率器件不承担"分压"，只承担"通断"。全开时电压小电流大，全关时电压大电流零，乘积始终很小。所有的电压调节靠开关时间的比例完成，电感和电容负责把断续的脉冲抹平成连续的直流（第 4、5 讲）。 三、理想开关和真实开关理想开关：开时零电阻，关时零漏电，开关切换瞬间完成。损耗为零。 真实开关差在三个地方： 一是导通时有电阻，Rds(on)，产生导通损耗，第 3 讲算过。 二是开关切换不是瞬间完成的，要几十到几百纳秒。这段时间里电压和电流同时存在，乘积不为零，产生开关损耗。开关越慢、开关次数越多，这部分损耗越大。第 15 讲讲。 三是关断时有微小漏电流，通常可以忽略。 功率器件技术进步的全部内容，就是让真实开关更接近理想开关：导通电阻更低，开关速度更快。碳化硅在这两项上都比硅强，所以它是更好的开关。 四、开关带来的新问题开关不是白拿的好处。它把一个平滑的过程变成了一连串脉冲，带来三类新问题： 纹波。输出不是纯直流，有开关频率的起伏，需要电感电容滤掉。噪声。高速开关产生高频电磁干扰，EMC 是每个开关电源的必修课。控制。开关的时间比例要由控制电路实时调整，以应对负载和输入的变化。 电力电子这门学科的主体内容，就是在享受开关的效率红利的同时管住这三个问题。 五、开关频率的两难每秒开关多少次叫开关频率。频率高，脉冲更密，滤波用的电感电容可以更小，设备更小更轻；但每次开关都有损耗，次数越多总损耗越大。 硅 IGBT 开关慢，每次损耗大，只能做到 10 到 20kHz。硅 MOSFET 快一些，但高压型号的导通电阻大。碳化硅 MOSFET 又快又低阻，能在 1200V 电压等级做到 50 到 200kHz，电感和变压器缩小到几分之一。 这是碳化硅的第二个核心价值：不只是省损耗，还通过提频率缩体积。客户研发说"我想把频率从 16kHz 提到 60kHz"，背后是想把磁件缩小、功率密度提上去，第 15 讲细算。 六、一句话总结功率半导体是开关，不是阀门。它的工作是在零电压和零电流之间切换，越快越好，越彻底越好。所有的参数——导通电阻、开关时间、寄生电容、栅极电荷——都是在衡量它离理想开关有多远。 研发会这么说"我们原来用 IGBT 跑 16kHz，换碳化硅想提到 50kHz，电感从 2mH 降到 600μH，体积重量减一半，但得重新做驱动和布局，原来的 IGBT 驱动板用不了。" 他在说：提频率是目的，缩磁件是收益，驱动和布局是代价。他担心的是换碳化硅的工程量和风险。你带回来的信息：目标频率、现有驱动方案、是否接受即插即用驱动板、PCB 是否需要重新布局。 下一讲第 10 讲｜PWM：用开关的时间比例控制电压
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