在电能传输中，电压等级的选择对效率和功率损失有直接影响，尤其是在低压系统中，欧姆损耗的影响更为显著。这一现象不仅在手机和平板电脑等低功耗设备的充电标准中有所体现，也在UPS（不间断电源）、光伏逆变器、电动汽车充电器等高功率电力转换系统中得到验证。为了优化这些系统的效率，采用较高电压可以减少传输过程中的能量损失。

电压提升的效益

现代电力转换系统，包括光伏逆变器、UPS和电动汽车充电器，越来越倾向于采用更高的电压水平，通常为700V甚至更高，而传统系统通常使用400V直流电压。较高的电压能够减小电流，从而减少通过导线和电子元器件的欧姆损耗，这对于高功率电力转换尤为重要。举例来说，USB-PD（USB Power Delivery）标准的更新，允许设备通过9V、12V甚至20V的电压进行充电，这一变化正是为了提升充电效率，减少低压系统中的损耗。

DC/DC转换器的工作原理与损耗分析

在电力转换系统中，DC/DC转换器扮演着核心角色。这些转换器通常包括升压（Boost）、降压（Buck）、以及反激式（Flyback）转换器等模块，它们根据应用需求调节电压，以实现最佳的功率效率。升压转换器和降压转换器分别用于提高和降低电压，而反激式转换器则常用于提供隔离式电压转换。

在分析电力转换器的能效时，需要考虑两个主要因素：开关损耗和传导损耗。

硬开关与软开关

硬开关（如CCM升压转换器）在每次开关动作中都经历较大的损耗。在升压转换器中，当开关Q1闭合时，电流开始流过电感器L1，直到开关Q1断开，此时电流流过二极管D1。在断开过程中，二极管的电流波形显示出反向恢复现象，导致存储电荷释放，造成关断损耗。关断损耗与二极管中存储的电荷以及开关电压成正比，公式为：

$$E_{sw-off} = V_{out} \cdot Q_s$$Esw−off=Vout⋅Qs

其中$Q_s = I_F \cdot \tau_a$Qs=IF⋅τa表示存储电荷。存储电荷的提取导致的功率损耗可能在开关元件（如Q1）中继续消耗。

软开关（如LLC谐振转换器）则通过谐振电路减少了开关损耗。由于开关频率与谐振电流的相位同步，二极管在过零时才开始导通，因此开关损耗较低，二极管的关断损耗也被显著减少。软开关拓扑中的二极管接近零电流时导通，关断时反向恢复电流小，关断损耗也随之降低。

传导损耗与开关损耗

在所有半导体器件中，功率损耗通常分为两部分：传导损耗和开关损耗。传导损耗是由器件导通时的压降造成的，而开关损耗则是由器件从导通到关断过程中的电荷转移引起的。

• 传导损耗：流经半导体开关的电流在器件两端产生压降，功率损耗为电压和电流的乘积。通过使用更大、更高效的器件，传导损耗可以得到减少。

• 开关损耗：在开关动作中，器件的状态从关断变为导通，反之亦然。开关过程中，电荷的转移量决定了开关损耗的大小。减小开关频率或者选择需要较少电荷转移的开关器件可以减少开关损耗。

平衡开关损耗与传导损耗是电力转换器设计中的重要考量，尤其是在需要高效、高频开关操作的应用中，正确选择器件尺寸和开关频率对于减少总体功率损耗至关重要。

高压二极管的设计挑战

随着电压等级的提高，二极管的设计面临更多挑战。特别是在高压应用（如1200V二极管）中，二极管需要应对更大的反向电压，这意味着它们必须具备更宽的漂移区。这一设计带来两个主要问题：开关速度的降低和更高的传导损耗。因此，必须通过控制载流子寿命来优化开关性能，确保器件在高压下仍然能够高效工作。

在高压应用中，选择合适的二极管至关重要。1200V二极管的开关速度通常较慢，因此在选择时，需要在开关损耗和传导损耗之间找到合适的平衡点。对于这些应用，使用寿命控制技术可以进一步优化二极管的性能，使其在较高工作温度下保持较低的漏电流和更快的开关速度。

总结

提高电压水平对降低功率损耗具有显著效果，尤其是在高功率电力转换系统中。设计高效的电力转换器不仅需要考虑开关频率、器件选择，还要深入理解开关和传导损耗的权衡。通过软开关拓扑、优化开关频率、选择合适的二极管等措施，可以显著提升功率转换系统的效率。在高压应用中，如何平衡开关损耗与传导损耗，以及控制温度和漏电流，是提升系统效率的关键因素。