อุปกรณ์สวิตช์เป็น สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ แบบง่าย ซึ่งโดยปกติประกอบด้วยสามขา โดยที่แรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าที่ขาหนึ่งจะยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านระหว่างขาอีกสองขาได้ ในการทำให้อุปกรณ์อยู่ในสถานะการนำไฟฟ้าหรือถูกขัดขวาง และเพื่อสิ้นสุดกระบวนการนี้ เวลาในการเปลี่ยนผ่านที่จำเป็นจะสั้นมาก แต่ไม่ได้เกิดขึ้นทันที ช่วงเวลานี้ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานที่เรียกว่า "การสูญเสียจากการสวิตช์" ซึ่งเป็นสาเหตุของการสูญเสียส่วนใหญ่ในวงจรแปลงสัญญาณ การสูญเสียนี้เกิดขึ้นตรงจุดตัดระหว่างสัญญาณแรงดันไฟฟ้าและสัญญาณกระแสไฟฟ้า ลองมาดูการสวิตช์ประเภทต่างๆ กัน

การสลับแบบฮาร์ด

การสลับแบบนี้เกี่ยวข้องกับการสลับส่วนประกอบที่ทำงานอยู่ (ทรานซิสเตอร์, มอสเฟต หรืออื่นๆ) อย่างง่าย โดยมีแรงดันหรือกระแสไหลผ่านขาที่สาม เพื่อเปิดและปิดสวิตช์ ซึ่งก็คือการสลับอย่างต่อเนื่อง อย่างไรก็ตาม เทคนิคนี้ยังก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าอีกด้วย วิธีนี้ถือเป็นการสลับส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่หนักหน่วง เนื่องจากการสลับอย่างต่อเนื่องจะสร้างภาระให้กับสวิตช์ไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ น่าเสียดายที่ตัวแปลงไฟฟ้าส่วนใหญ่ในปัจจุบันใช้วิธีนี้ ซึ่งอาจเป็นเพราะเหตุผลทางเศรษฐกิจ ยิ่งไปกว่านั้น อายุการใช้งานโดยเฉลี่ยของตัวแปลงไฟฟ้ายังลดลงอย่างมาก รูปที่ 1 แสดงแผนผังการเดินสายทั่วไป ซึ่งขั้วเกตของมอสเฟต IRF530 จะถูกควบคุมด้วยพัลส์คลื่นสี่เหลี่ยม 10 โวลต์ ที่ความถี่ 100 กิโลเฮิรตซ์

รูปที่ 2 แสดงออสซิลโลแกรมของจุดวิกฤตของวงจร กราฟด้านล่างแสดงเส้นโค้งสีน้ำเงิน ซึ่งแสดงถึงแรงดันไฟฟ้าเดรน และเส้นโค้งสีแดง ซึ่งแสดงถึงกระแสเดรน การสลับไม่ได้เกิดขึ้นทันที ดังนั้นจึงมีการสูญเสียพลังงานที่ไม่ได้ใช้งานจำนวนมากใกล้กับจุดตัดระหว่างสัญญาณทั้งสอง การใช้พลังงานแสดงด้วยกราฟด้านบน (สีเขียว) ซึ่งแสดงถึงพลังงานที่สูญเสียโดยมอสเฟต จุดนี้แสดงถึงการสูญเสียพลังงานจากการสลับ ในทางทฤษฎี ความถี่ในการสลับสามารถลดลงได้ แต่ความเพี้ยนของสัญญาณฮาร์มอนิกจะเพิ่มขึ้นมากเกินไป

ประสิทธิภาพของวงจรที่เพิ่งตรวจสอบนั้นแสดงไว้ในสูตรในรูปที่ 3 และเท่ากับ 95.910%

การสลับแบบนุ่มนวล

มีหลายวิธีในการทำให้ Soft Switching ในตัวแปลงสัญญาณทำได้ แนวคิดคือการใช้สัญญาณชั่วขณะ LC และสร้างแรงสวิง ดังนั้น Soft Switching จึงใช้วงจรเรโซแนนซ์ LC เพื่อเปิดและปิดสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ การควบคุมจังหวะการสลับจะถูกควบคุมเพื่อลดจุดตัดระหว่างรูปคลื่นสองรูปของแรงดันและกระแส การลดการสูญเสียพลังงานจึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ นอกจากนี้ยังช่วยลดการสูญเสียของตัวเหนี่ยวนำ หม้อแปลง และไดโอด วิธีการนี้เกี่ยวข้องกับการสลับ ZVS และ ZCS อันที่จริงแล้ว สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์จะเปิดและปิดในสภาวะ ZVS หรือ ZCS โดยใช้ปรากฏการณ์เรโซแนนซ์ การสลับประเภทนี้ช่วยลดสัญญาณรบกวนและการสูญเสียจากการสลับเนื่องจากทรานซิสเตอร์จะเปิดและปิดที่แรงดันหรือกระแสเป็นศูนย์ (หรือใกล้ศูนย์) เทคนิคการสลับแบบ Soft Switching ต้องใช้วงจรควบคุมที่ซับซ้อนมากขึ้น เนื่องจากรูปคลื่นต่างๆ จำเป็นต้องได้รับการประสานงานอย่างแม่นยำ สำหรับแบบจำลองนี้ นอกเหนือจากตัวแปร Vgs, Vds และ Id แล้ว ยังต้องพิจารณากระแสของตัวเก็บประจุสนับเบอร์และอัตราการเปลี่ยนแปลงด้วย ตัวแปลงสัญญาณประเภทนี้สามารถทำได้โดยใช้สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ตัวเดียวหรือหลายตัว ตัวแปลงสวิตช์เดี่ยวจะรับแรงกดบนทรานซิสเตอร์มากกว่า ในขณะที่ตัวแปลงแบบฮาล์ฟบริดจ์และโดยเฉพาะอย่างยิ่งตัวแปลงฟูลบริดจ์เหมาะสำหรับกำลังไฟฟ้าที่สูงกว่า ตัวแปลงเหล่านี้เรียกว่า "เรโซแนนซ์" หากเกิดการสั่นพ้องเฉพาะระหว่างการสลับ จะเรียกว่าตัวแปลง "ควาซิเรโซแนนซ์" ดังแสดงในแผนภาพหลักในรูปที่ 4 เทคนิคนี้มีข้อดีและข้อเสีย ข้อดีดังที่ได้กล่าวไปแล้วคือการลดการสูญเสียและสัญญาณรบกวนความถี่สูง ในทางกลับกัน จำนวนส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์เพิ่มขึ้นและวงจรมีความซับซ้อนมากขึ้น

ระบบ Soft Switching ช่วยหลีกเลี่ยงการซ้อนทับของรูปคลื่นระหว่างการสลับทรานซิสเตอร์ เนื่องจากพลังงานที่สูญเสียไประหว่างการสลับมีน้อยมาก สัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าจึงต่ำมากเช่นกัน

Mosfet ถูกควบคุมด้วยคลื่นสี่เหลี่ยม 10 V รูปที่ 5: กราฟแสดงแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และกำลังไฟฟ้าของ Mosfet ในวงจร Soft Switching

ประสิทธิภาพในวงจรประเภทนี้สามารถเกิน 98% ได้อย่างง่ายดาย

บทสรุป

ประเด็นที่เกี่ยวข้องกับการสูญเสียในวงจรไฟฟ้าเป็นหัวข้อที่กว้างมาก และเทคโนโลยีสมัยใหม่กำลังนำการวิจัยเชิงลึกที่มุ่งพัฒนาปรับปรุง วงจรซอฟต์สวิตชิ่งใช้ระบบเรโซแนนซ์ LC เพื่อเปิดและปิดสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ ด้วยเหตุนี้จึงมีความซับซ้อนและมีราคาแพงกว่า ขนาดของส่วนประกอบรีแอคทีฟก็ค่อนข้างซับซ้อนเช่นกัน การสลับแบบค่อยเป็นค่อยไปช่วยลดสัญญาณรบกวนและการสูญเสียจากการสลับ เนื่องจากทรานซิสเตอร์จะเปิดและปิดที่แรงดันหรือกระแสศูนย์หรือใกล้ศูนย์ ปัจจุบันเทคนิคนี้ส่วนใหญ่ใช้กับเตาแม่เหล็กไฟฟ้าและเตาไมโครเวฟ การสลับแบบซอฟต์สวิตชิ่งมีข้อได้เปรียบเหนือการสลับแบบฮาร์ดสวิตชิ่งในแง่ของพื้นที่การทำงานที่ปลอดภัย วงจรบางวงจรยังถูกควบคุมโดยไมโครคอนโทรลเลอร์ ซึ่งสามารถควบคุมเวลาการสลับของทรานซิสเตอร์ได้อย่างแม่นยำ แม้ว่าเทคนิคอิเล็กทรอนิกส์จะก้าวหน้าและซับซ้อนมาก แต่เราจะสามารถลดการสูญเสียจากการสลับได้อย่างมีประสิทธิภาพก็ต่อเมื่อทรานซิสเตอร์มีค่า Rds (เปิด) ต่ำกว่ามาก ซึ่งใกล้เคียงกับศูนย์